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鑲嵌在葉片中的碳奈米管可檢測植物受傷時產生的化學訊號

2020/06/23 @國際

摘要

美國麻省理工學院研究團隊以奈米碳管作為感測器硬體設備素材,將此感測器以LEEP技術嵌入草莓植株、菠菜、芝麻菜、萵苣、水田芥和酸模等作物內,感測植物所釋放的過氧化氫,未來可擴展研究植物對於環境壓力以及病原的反應。

鑲嵌在葉片中的碳奈米管可檢測植物受傷時產生的化學訊號

  植物具有非常複雜的內部交流方式,例如能利用過氧化氫傳遞訊號,刺激葉片細胞產生相關化合物,進而幫助其修復損害或抵抗昆蟲等動物。過去研究人員已經開發了奈米碳管感測器,可以檢測過氧化氫等各種分子,而現在麻省理工學院的研究人員更使用奈米碳管製成的感測器探究植物如何應對環境壓力,這些感測器可以嵌入植物的葉子中,並感應過氧化氫訊號。

  大約三年前,研究人員開始嘗試將感測器整合到植物葉片中,透過一種稱為LEEP(lipid exchange envelope penetration)的技術,設計可穿透植物細胞膜的奈米顆粒;並發現葉片受傷後,過氧化氫會從傷口處釋出,並產生了一道沿葉片傳播的波,類似於神經元在我們的大腦中傳遞脈衝訊號的方式。當植物細胞釋放過氧化氫時,會觸發鄰近細胞內的鈣釋放,進而刺激這些細胞釋放更多的過氧化氫,就像骨牌效應一樣向外傳出。大量的過氧化氫刺激植物細胞產生許多次級代謝物分子,例如類黃酮或類胡蘿蔔素,可幫助修復傷害。有些植物還產生其他的次級代謝物以抵禦捕食者,這些代謝物通常是我們在食物中所需的風味來源。【延伸閱讀】利用感測器測量土壤裡的硝酸鹽含量

  感測器產生的近紅外螢光可以連接到Raspberry Pi的小型紅外相機即時成像,直接捕捉活體植物的信號,Raspberry Pi售價僅35美元,十分低廉。此次研究中測試了幾種植物,包含草莓植株、菠菜(spinach)、芝麻菜(arugula)、萵苣(lettuce)、水田芥(watercress)和酸模(sorrel)等,發現不同的物種似乎會產生不同的波形,各物種對不同類型的壓力(包括機械性傷害、感染、熱或光損害)的反應也不同。作者認為,這項技術的應用性廣泛,能幫助植物抵禦機械性傷害、光、熱和其他形式的環境壓力,也可以用來研究不同物種對病原的反應,例如造成柑橘綠化的細菌和引起咖啡銹病的真菌,幫助訂定提高作物產量的新策略。相關研究發表於<Nature Plants>

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