讓植物說話-科學家發明感測器即時監測植物體內變化
2022/04/06 @國際
摘要
新加坡-麻省理工學院SMART研究團隊開發了冠相分子辨識技術，篩選出人工合成的植物生長素NAA及除草劑2,4-D的選擇性感測器-被特定聚合物包裹的奈米碳管，並將它們嵌入植物組織中，利用發出的螢光強度來實時監測植物體內物質的動態變化，且在不同栽培介質和作物中的測試皆是成功的。CoPhMoRe技術對植物非但不會造成不利影響，還提供了一種快速、非破壞性的檢測方式。
示意圖
來自新加坡-麻省理工學院研究技術聯盟(SMART)的DiSTAP跨域研究團隊，以及來自淡馬錫生命科學實驗室(TLL)和南洋理工大學(NTU)的當地合作夥伴，已經開發出史上第一台用於快速測試合成植物生長素的奈米感測器。和「檢測植物對除草劑等化合物反應」的現有技術相比，新型奈米感測器更安全、更不令人厭煩，且在改善農業生產，及我們對於植物生長的理解具有變革性。
科學家們替兩種植物激素:1-萘乙酸(NAA)和2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)設計了感測器，它們被廣泛用於農業，分別是調節植物生長和作為除草劑。目前檢測NAA和2,4-D的方法會對植物造成傷害，而且無法提供即時的體內監測資訊。根據SMART DiSTAP研究團隊和麻省理工學院Strano實驗室首創的冠相分子辨識註 (CoPhMoRe)概念，新型感測器能夠快速檢測活體植物中存在的NAA和2,4-D，並即時提供植物資訊，而不會造成任何傷害。
這個研究團隊已經在土壤、水耕栽培及植物組織培養等各種栽培介質上，成功地測試了多種日常作物包含小白菜、菠菜和水稻的感測器。這個研究在《ACS感測器》期刊上發表一篇題為「利用冠相分子辨識技術對植物中的合成生長素進行奈米感測器檢測」的論文中解釋，此研究可促進在農業中更有效的應用合成生長素，並具有推動植物學研究的極大潛力。DiSTAP共同首席研究員兼任麻省理工學院Carbon P. Dubbs化學工程教授Michael Strano說:「我們的CoPhMoRe技術以前曾應用於檢測化合物，如過氧化氫及砷等重金屬污染物。而這篇論文是CoPhMoRe感測器的第一個成功案例，用於檢測調節植物生長和生理的植物激素，就像是噴霧劑，以防止植物過早開花和落果。這項技術可以取代目前最先進的感測方法，而這些方法不僅費力、具破壞性，還不安全。」
在研究團隊開發的兩個感測器中，2,4-D奈米感測器還能顯示出對植物對除草劑的敏感度，使農民和農業科學家不須花幾天時間來需監測作物或雜草的生長情況，而是在短時間就能發現不同植物對除草劑的脆弱度或抗性。DiSTAP和TLL研究計畫主持人Rajani Sarojam說:「這可能非常有利於揭示2,4-D在植物體內的運作機制，以及為什麼作物會產生對除草劑的抗性。」DiSTAP的研究科學家Mervin Chun-Yi Ang說:「我們的研究可以幫助農業領域更好地瞭解植物生長動態，並有可能徹底改變農業篩選除草劑抗性的方式，而無需在數天內監測作物或雜草生長。
這項技術可以應用於各式植物品種及種植介質，並容易用於商業計畫，例如城市農場，可快速檢測對除草劑的敏感性。」NTU教授Mary Chan-Park Bee Eng說:「在植物檢測中使用奈米感測器，不需要大量萃取和純化過程，進而節省時間和金錢。他們還使用成本非常低的電子設備，讓這項技術易於應用在商業計畫。」研究團隊說明他們的研究未來可以引導開發即時奈米感測器，並用於活體植物中其他動態的植物激素和代謝物。
研究中的奈米感測器、光學檢測系統和影像處理演算由SMART、NTU和麻省理工學院共同完成，而TLL則驗證了奈米感測器，並提供植物學及植物訊號傳遞機制方面的知識。此項研究在SMART進行，並由NRF在其卓越研究和技術產學(CREATE)計劃下提供支援。【延伸閱讀】乙烯感測器可以幫助監測植物健康
註:「分子辨識」是指兩個或兩個以上的分子，透過分子間作用力產生交互作用。
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