Gli ingegneri del MIT hanno sviluppato un modo per monitorare da vicino come le piante rispondono a stress come lesioni, infezione, e danni leggeri, utilizzando sensori realizzati con nanotubi di carbonio. Questi sensori possono essere incorporati nelle foglie delle piante, dove riferiscono sulle onde di segnalazione del 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 le aiuteranno a riparare i danni o a respingere i predatori come gli insetti. I nuovi sensori possono utilizzare questi segnali di perossido di idrogeno per distinguere tra diversi tipi di stress, così come tra diverse specie di piante.

"Le piante hanno una forma di comunicazione interna molto sofisticata, che ora possiamo osservare per la prima volta. Ciò significa che in tempo reale, possiamo vedere la risposta di una pianta vivente, comunicare il tipo specifico di stress che sta vivendo, "dice Michele Strano, il Carbon P. Dubbs Professore di Ingegneria Chimica al MIT.

Questo tipo di sensore potrebbe essere utilizzato per studiare come le piante rispondono a diversi tipi di stress, potenzialmente aiutare gli scienziati agricoli a sviluppare nuove strategie per migliorare i raccolti. I ricercatori hanno dimostrato il loro approccio in otto diverse specie di piante, compresi gli spinaci, piante di fragola, e rucola, e credono che potrebbe funzionare in molti altri.

Strano è l'autore senior dello studio, che appare oggi in piante naturali . Lo studente laureato del MIT Tedrick Thomas Salim Lew è l'autore principale del documento.

Sensori integrati

Negli ultimi anni, Il laboratorio di Strano ha esplorato il potenziale per l'ingegneria di "piante nanobioniche", piante che incorporano nanomateriali che conferiscono alle piante nuove funzioni, come l'emissione di luce o il rilevamento della mancanza d'acqua. Nel nuovo studio, ha deciso di incorporare sensori che riportassero sullo stato di salute delle piante.

Strano aveva precedentemente sviluppato sensori di nanotubi di carbonio in grado di rilevare varie molecole, compreso il perossido di idrogeno. Circa tre anni fa, Lew ha iniziato a cercare di incorporare questi sensori nelle foglie delle piante. Studi sull'Arabidopsis thaliana, spesso utilizzato per studi molecolari di piante, aveva suggerito che le piante potessero usare il perossido di idrogeno come molecola di segnalazione, ma il suo ruolo esatto non era chiaro.

Lew ha utilizzato un metodo chiamato penetrazione dell'involucro a 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 in grado di penetrare nelle membrane cellulari delle piante. Mentre Lew stava lavorando per incorporare i sensori di nanotubi di carbonio, ha fatto una scoperta fortuita.

"Mi stavo allenando per familiarizzare con la tecnica, e durante l'addestramento ho accidentalmente inflitto una ferita alla pianta. Poi ho visto questa evoluzione del segnale del perossido di idrogeno, " lui dice.

Ha visto che dopo che una foglia è stata ferita, il perossido di idrogeno è stato rilasciato dal sito della ferita e ha generato un'onda che si è diffusa lungo la foglia, simile al modo in cui i neuroni trasmettono impulsi elettrici nel nostro cervello. Quando una cellula vegetale rilascia perossido di idrogeno, innesca il rilascio di calcio all'interno delle cellule adiacenti, che stimola quelle cellule a rilasciare più perossido di idrogeno.

"Come domino che cadono in successione, questo fa sì che un'onda possa propagarsi molto più lontano di quanto farebbe un soffio di perossido di idrogeno da solo, "Dice Strano. "L'onda stessa è alimentata dalle cellule che la ricevono e la propagano".

Questo flusso 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 dei sapori alimentari che desideriamo nelle nostre piante commestibili, e vengono prodotti solo sotto stress.

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

"In questo studio, siamo stati in grado di confrontare rapidamente otto specie di piante, e non saresti in grado di farlo con i vecchi strumenti, "dice Strano.

I ricercatori hanno testato piante di fragola, spinaci, rucola, lattuga, crescione, e acetosa, e ha scoperto che specie diverse sembrano produrre forme d'onda diverse, la forma distintiva prodotta mappando la concentrazione di perossido di idrogeno nel tempo. Essi ipotizzano che la risposta di ogni pianta sia correlata alla sua capacità di contrastare il danno. Ogni specie sembra anche rispondere in modo diverso a diversi tipi di stress, comprese le 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 è codificato in questa forma d'onda, " Dice Strano. "Puoi osservare la risposta in tempo reale che una pianta sperimenta in quasi tutti i nuovi ambienti".

Risposta allo stress

La fluorescenza nel vicino infrarosso prodotta dai sensori può essere ripresa utilizzando una piccola telecamera a infrarossi collegata a un Raspberry Pi, un computer da 35 dollari delle dimensioni di una carta di credito simile al computer all'interno di uno smartphone. "Strumentazione molto economica può essere utilizzata per catturare il segnale, "dice Strano.

Le applicazioni di questa tecnologia includono lo screening di diverse specie di piante per la loro capacità di resistere ai danni meccanici, leggero, calore, e altre forme di stress, Strano dice. Potrebbe anche essere usato per studiare come le diverse specie rispondono ai patogeni, come i batteri che causano l'inverdimento degli agrumi e il fungo che causa 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, " lui dice.

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), impresa di ricerca del MIT a Singapore, sono anche interessati a studiare come le piante rispondono alle diverse condizioni di crescita nelle fattorie urbane.

Un problema che sperano di affrontare è evitare l'ombra, che si vede in molte specie di piante quando vengono coltivate ad alta densità. Tali piante attivano una risposta allo stress che devia le loro risorse per crescere più alte, invece di investire energia nella produzione di colture. Ciò riduce la resa complessiva del raccolto, quindi i ricercatori agricoli sono interessati agli impianti di ingegneria in modo che non attivino quella risposta.

"Il nostro sensore ci consente di intercettare quel segnale di stress e di comprendere esattamente le condizioni e il meccanismo che stanno accadendo a monte e a valle nell'impianto che dà origine all'evitamento dell'ombra, "dice Strano.