Как нанотрубки помогли измерять уровень стресса растений

Пару лет назад инженеры Массачусетского технологического института разработали способ отслеживать реакцию растений на такие стрессы, как травмы, инфекции и повреждения светом, с помощью датчиков, изготовленных из углеродных нанотрубок.

Растения обладают очень сложной формой внутренней коммуникации. Они используют пероксид водорода для связи внутри листьев, посылая сигнал бедствия. Это стимулирует клетки листьев вырабатывать соединения, которые помогут им восстановить имеющиеся повреждения или отбиться от хищников. Разработанные учеными датчики были встроены в листья растений и сообщали о пероксидных сигнальных волнах. «Это означает, что в режиме реального времени мы можем видеть реакцию живого растения, сообщая о конкретном типе стресса, который оно испытывает”, - поясняет Майкл Страно, профессор химической инженерии в Массачусетском технологическом институте.

Изначально исследование шло в другом направлении. Лаборатория изучала потенциал создания “нанобионических растений” — растений, включающих наноматериалы, которые придают растениям новые функции, такие как излучение света или обнаружение нехватки воды. В этом исследовании Майкл намеревался включить датчики, которые будут сообщать о состоянии здоровья растений. Датчики были разработаны за несколько лет до этого и они могут обнаруживать различные молекулы, включая перекись водорода. Ученые знали, что растения могут использовать перекись водорода в качестве сигнальной молекулы, но ее точная роль была неясна. Случайное открытие получилось, когда работали над внедрением датчиков. “Я тренировался, чтобы ознакомиться с техникой, и в процессе тренировки случайно нанес рану растению. Затем я увидел эволюцию этого пероксидного сигнала”, - вспоминает исследователь.

После того, как лист был поврежден, перекись водорода высвобождалась из места раны и генерировала волну, которая распространялась по листу, подобно тому, как нейроны передают электрические импульсы в нашем мозге. Когда растительная клетка выделяет перекись водорода, она вызывает высвобождение кальция в соседних клетках, что стимулирует эти клетки выделять больше перекиси водорода.

Этот поток перекиси водорода стимулирует клетки растений вырабатывать молекулы, называемые вторичными метаболитами, такие как флавоноиды или каротиноиды, которые помогают им восстанавливать повреждения. Некоторые растения также производят другие вторичные метаболиты, которые могут выделяться для защиты от хищников. Эти метаболиты часто являются источником ароматов, которые мы желаем видеть в наших съедобных растениях, и они вырабатываются только при стрессе.

Ключевым преимуществом нового метода зондирования является то, что его можно использовать для многих различных видов растений. Традиционно биологи растений проводили большую часть своих исследований в области молекулярной биологии на определенных растениях, которые поддаются генетическим манипуляциям, включая Arabidopsis thaliana и табачные растения. Однако новый подход применим потенциально к любому растению.

Исследователи протестировали растения клубники, шпината, рукколы, салата, кресс—салата и щавеля и обнаружили, что разные виды производят разные формы волн - отличительную форму, полученную путем отображения концентрации перекиси водорода с течением времени. Они выдвигают гипотезу, что реакция каждого растения связана с его способностью противодействовать повреждению. Каждый вид также по-разному реагирует на различные виды стресса, включая механические травмы, инфекции и повреждения от тепла или света. В будущем данное исследование могло бы помочь садоводам с невероятной лёгкостью обнаруживать определённые заболевания культур или недостаток питательных веществ на ранних стадиях. А также, даст шанс получить растения, устойчивые к различным видам стресса.