研究人员开发了第一个能够检测和区分赤霉素植物激素的纳米管传感器

来自新加坡麻省理工学院研究与技术联盟(SMART)的农业精密颠覆性和可持续技术(DiSTAP)跨学科研究小组(IRG)的研究人员，麻省理工学院在新加坡的研究企业及其来自淡马锡生命科学实验室(TLL)的合作者开发了有史以来第一个可以检测和区分赤霉素(GAs)的纳米传感器，赤霉素是植物中对生长很重要的一类激素。

与传统的收集方法不同，新型纳米传感器是非破坏性的，并且已经在活植物中成功进行了测试。这些传感器应用于早期植物胁迫监测领域，可以证明对农业和植物生物技术具有变革性作用，为对高科技精准农业和作物管理感兴趣的农民提供了优化产量的宝贵工具。

研究人员设计了近红外(NIR)荧光碳纳米管传感器，能够检测和区分两种植物激素GA3和GA4。GA3和GA4属于一类称为赤霉素(GAs)的植物激素，是由植物产生的二萜类植物激素，在调节植物生长和发育所涉及的各种过程中起着重要作用。

大会被认为在1960年代“绿色革命”背后的推动力中发挥了作用，而这场革命反过来又被认为避免了饥荒并挽救了全世界许多人的生命。对赤霉素的持续研究可能导致农业科学的进一步突破，并对粮食安全产生影响。

气候变化、全球变暖和海平面上升导致农业土壤被盐水污染，提高土壤盐度。反过来，已知高土壤盐度会负调节GA生物合成并促进GA代谢，导致植物中GA含量降低。

SMART研究人员开发的新型纳米传感器允许在非常早期的阶段研究盐胁迫下活植物的GA动力学，有可能使农民在最终应用于田间时进行早期干预。这构成了早期压力检测的基础。

目前，检测GA3和GA4的方法通常需要基于质谱的分析，这是一个耗时且破坏性的过程。相比之下，研究人员开发的新传感器对各自的GA具有高度选择性，并提供对各种植物物种GA水平变化的实时体内监测。

该研究在《纳米快报》上发表的一篇论文中有所描述，代表了早期植物胁迫检测的突破，并具有推动植物生物技术和农业发展的巨大潜力。本文基于SMART DiSTAP团队先前使用电晕相分子识别(CoPhMoRe)平台对单壁碳纳米管(基于SWNT)纳米传感器的研究。

基于麻省理工学院斯特拉诺实验室开创的CoPhMoRe概念，新型传感器能够检测各种模型和非模型植物物种(包括拟南芥，生菜和罗勒)根部的GA动力学，以及侧根出现期间的GA积累，突出了GA在根系结构中的重要性。

这是通过研究人员开发的一种新型耦合拉曼/近红外荧光计实现的，该荧光计可以通过拉曼G波段对纳米传感器NIR荧光进行自我参考，这是一项新的硬件创新，无需单独的参考纳米传感器，并通过使用单个光通道测量激素浓度大大简化了仪器要求。

使用可逆的GA纳米传感器，研究人员检测到突变植物中内源性GA水平增加，产生更多的GA20ox1，GA生物合成中的关键酶，以及盐胁迫下植物GA水平降低。当暴露于盐胁迫时，研究人员还发现生菜生长严重发育迟缓 - 这一迹象仅在10天后才变得明显。

相比之下，GA纳米传感器报告GA水平在短短6小时后下降，证明了它们作为盐胁迫早期指标的有效性。

“我们的CoPhMoRe技术使我们能够创造像天然抗体一样的纳米颗粒，因为它们可以识别并锁定特定分子。但它们往往比替代品稳定得多。我们已经使用这种方法成功地为植物信号(如过氧化氢)和重金属污染物(如植物和土壤中的砷)制造纳米传感器。正如我们所展示的，该方法可以为有机分子创建传感器，如合成生长素 - 一种重要的植物激素。这一最新突破现在将这一成功扩展到一种名为赤霉素的植物激素家族 - 这是一个非常难以识别的家族，“共同通讯作者，DiSTAP联合首席研究员Michael Strano教授和麻省理工学院化学工程Carbon P. Dubbs教授说。

“由此产生的技术提供了一种快速，实时和体内的方法，可以监测几乎任何工厂GA水平的变化，并且可以取代当前费力，破坏性，物种特异性和效率低得多的传感方法。

DiSTAP副科学总监兼该论文的共同第一作者Mervin Chun-Yi Ang博士补充说：“不仅仅是植物胁迫检测的突破，我们还展示了一种新的耦合拉曼/近红外荧光计形式的硬件创新，该荧光计能够使用拉曼G波段对SWNT传感器荧光进行自我参考，这代表了我们的纳米传感工具集向该领域的重大进步。

“在不久的将来，我们的传感器可以与低成本电子产品、便携式光电器件或工业用微针接口相结合，改变行业筛选和减轻粮食作物植物胁迫的方式，并有可能提高生长和产量。

新的传感器可能具有各种工业应用和用例。作为TLL首席研究员，新加坡国立大学兼职助理教授Daisuke Urano和该论文的共同通讯作者解释说：“众所周知，GA可以调节广泛的植物发育过程，从芽，根和花发育到种子发芽和植物胁迫反应。随着GA的商业化，这些植物激素也作为植物生长调节剂出售给种植者和农民，以促进植物生长和种子发芽。我们的新型GA纳米传感器可以应用于田间早期植物胁迫监测，也可以被种植者和农民用于跟踪GA在作物中的吸收或代谢。

纳米传感器的设计和开发，耦合拉曼/近红外荧光计和相关图像/数据处理算法的创建和验证，以及本研究植物传感器读数的统计分析由SMART和麻省理工学院完成;而 TLL 则负责植物相关研究的设计、执行和分析，包括活植物中纳米传感器的验证。

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