Il nanosensore avvisa lo smartphone quando la pianta è stressata

I nanotubi di carbonio incorporati nelle foglie rilevano segnali chimici che vengono prodotti quando una pianta viene danneggiata.

Gli ingegneri del MIT hanno sviluppato un sistema per tracciare da vicino il modo in cui le piante rispondono a stress come lesioni, infezioni e danni alla luce, utilizzando sensori realizzati con nanotubi di carbonio. Questi sensori possono essere incorporati nelle foglie delle piante, dove segnalano lo stato di disagio mediante perossido di idrogeno.

Le piante usano il perossido di idrogeno per comunicare all’interno delle loro foglie, inviando un segnale di soccorso che stimola le cellule fogliari a produrre composti che li aiuteranno a riparare i danni o a respingere i predatori come gli insetti. I nuovi sensori possono utilizzare i segnali di perossido di idrogeno per distinguere tra diversi tipi di stress, nonché tra diverse specie di piante.

Le piante hanno una forma molto sofisticata di comunicazione interna, che ora possiamo osservare per la prima volta. Ciò significa che in tempo reale possiamo vedere la risposta di una pianta vivente, comunicando il tipo specifico di stress che sta vivendo”, afferma Michael Strano, professore di ingegneria chimica Carbon P. Dubbs del MIT.

Questo tipo di sensore potrebbe essere utilizzato per studiare come le piante rispondono a diversi tipi di stress, aiutando potenzialmente gli agronomi a sviluppare nuove strategie per migliorare i raccolti. I ricercatori hanno dimostrato il loro approccio in otto diverse specie di piante, tra cui spinaci, fragole e rucola, e credono che potrebbe funzionare in molte altre.

Strano è l’autore senior dello studio, che appare oggi in Nature Plants metre Tedrick Thomas Salim Lew, dottorando del MIT, è l’autore principale dell’articolo.

Sensori integrati

Negli ultimi anni, il laboratorio di Strano ha esplorato il mondo delle  “piante nanobioniche”, piante che incorporano nanomateriali che abilitano nuove funzioni, come l’emissione di luce o il rilevamento di carenze idriche. Nel nuovo studio, ha pensato di incorporare sensori che riferissero sullo stato di salute delle piante.

Strano aveva precedentemente sviluppato sensori di nanotubi di carbonio in grado di rilevare varie molecole, incluso il perossido di idrogeno. Circa tre anni fa Lew ha iniziato a lavorare per cercare di incorporare questi sensori nelle foglie delle piante. Gli studi su Arabidopsis thaliana, spesso usati per studi molecolari sulle piante, avevano suggerito che le piante avrebbero potuto usare il perossido di idrogeno come molecola di segnalazione, ma il suo esatto ruolo non era chiaro.

Lew ha usato un metodo chiamato penetrazione dell’inviluppo di scambio lipidico (LEEP) per incorporare i sensori nelle foglie delle piante. LEEP, che il laboratorio di Strano ha sviluppato diversi anni fa, consente la progettazione di nanoparticelle che possono penetrare nelle membrane delle cellule vegetali. Mentre Lew stava lavorando per incorporare i sensori di nanotubi di carbonio, fece una scoperta fortuita.

Mi stavo allenando per acquisire familiarità con la tecnica e nel processo di allenamento ho accidentalmente inflitto una ferita alla pianta. Poi ho visto questa evoluzione del segnale del perossido di idrogeno“, afferma.

Mi sono accorto che dopo che una foglia è stata ferita, il perossido di idrogeno è stato rilasciato dalla ferita stessa e ha generato un’onda che si è diffusa lungo la foglia, in modo simile al modo in cui i neuroni trasmettono impulsi elettrici nel nostro cervello. Quando una cellula vegetale rilascia acqua ossigenata, innesca il rilascio di calcio all’interno delle cellule adiacenti, stimolando quelle cellule a rilasciare più acqua ossigenata.”

Come i domino che cadono in successione, questo crea un’onda che può propagarsi molto più di quanto farebbe un solo getto di perossido di idrogeno“, afferma Strano. “L’onda stessa è alimentata dalle cellule che la ricevono e la propagano.”

Questa inondazione di perossido di idrogeno stimola le cellule vegetali a produrre molecole chiamate metaboliti secondari, come flavonoidi o carotenoidi, che li aiutano a riparare il danno. Alcune piante producono anche altri metaboliti secondari che possono essere secreti per respingere i predatori. Questi metaboliti sono spesso la fonte degli aromi alimentari che desideriamo nelle nostre piante commestibili e sono prodotti solo sotto stress.

Un vantaggio chiave della nuova tecnica di rilevamento è che può essere utilizzato in molte diverse specie di piante. Tradizionalmente, i biologi vegetali hanno svolto gran parte della loro ricerca sulla biologia molecolare in alcune piante che sono suscettibili di manipolazione genetica, tra cui Arabidopsis thaliana e piante di tabacco. Tuttavia, il nuovo approccio del MIT è applicabile a qualsiasi impianto.

In questo studio, siamo stati in grado di confrontare rapidamente otto specie di piante, cosa impossibile da fare con i vecchi strumenti“, afferma Strano.

I ricercatori hanno testato piante di fragole, spinaci, rucola, lattuga, crescione e acetosa e hanno scoperto che diverse specie sembrano produrre forme d’onda diverse, la forma distintiva prodotta mappando la concentrazione di perossido di idrogeno nel tempo. Ipotizzano che la risposta di ogni pianta sia correlata alla sua capacità di contrastare il danno. Ogni specie sembra inoltre rispondere in modo diverso ai diversi tipi di stress, tra cui lesioni meccaniche, infezione e danni da calore o luce.

Questa forma d’onda contiene molte informazioni per ogni specie, e ancora più eccitante è che il tipo di stress su una data pianta sia codificato in questa forma d’onda“, afferma Strano. “Puoi vedere la risposta in tempo reale che una pianta sperimenta in quasi ogni nuovo ambiente.

Risposta allo stress

La fluorescenza nel vicino infrarosso prodotta dai sensori può essere immaginata usando una piccola telecamera a infrarossi collegata a un Raspberry Pi, un computer delle dimensioni di una carta di credito di $ 35 simile al computer all’interno di uno smartphone. “La strumentazione molto economica può essere utilizzata per catturare il segnale“, afferma Strano.

Le applicazioni per questa tecnologia includono lo screening di diverse specie di piante per la loro capacità di resistere a danni meccanici, luce, calore e altre forme di stress, afferma Strano. Potrebbe anche essere usato per studiare come diverse specie rispondono ai patogeni, come i batteri che causano l’inverdimento degli agrumi e il fungo che provoca la ruggine del caffè.

Una delle cose che mi interessa fare è capire perché alcuni tipi di piante mostrano una certa immunità a questi agenti patogeni e altri no“, afferma.

Strano e i suoi colleghi del gruppo di ricerca interdisciplinare Disruptive and Sustainable Technology for Agricultural Precision presso il MIT-Singapore Alliance for Research and Technology (SMART), organizzazione di ricerca del MIT a Singapore, sono anche interessati a studiare come le piante rispondono alle diverse condizioni di crescita in fattorie urbane.

Un problema che sperano di affrontare è l’eliminazione dell’ombra, che si riscontra in molte specie di piante quando vengono coltivate ad alta densità. Tali piante attivano una risposta allo stress che devia le loro risorse per diventare più alte, invece di mettere energia nella produzione di colture. Ciò riduce la resa complessiva delle colture; da qui l’interesse degli agronomi agli impianti di ingegneria in modo da non attivare questa risposta.

Il nostro sensore ci consente di intercettare quel segnale di stress e di comprendere esattamente le condizioni e il meccanismo che si verificano a monte e a valle nell’impianto che provoca l’eliminazione dell’ombra“, afferma Strano.

Image: © Felice Frankel

 

 

 

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