Vědci vyvinuli nanosenzor pro detekci železa v rostlinách v reálném čase

Vědci z mezidisciplinární výzkumné skupiny Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) Singapurské aliance pro výzkum a technologie (SMART) MIT, ve spolupráci s Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) a MIT, vyvinuli průlomový nanosenzor s blízko infračervenou (NIR) fluorescencí. Tento nanosenzor je schopen současně detekovat a rozlišovat mezi formami železa – Fe(II) a Fe(III) – v živých rostlinách.

Železo je pro zdraví rostlin zásadní, podporuje fotosyntézu, dýchání a funkci enzymů. Existuje převážně ve dvou formách: Fe(II), které je pro rostliny snadno dostupné a využitelné, a Fe(III), které musí být nejprve přeměněno na Fe(II), aby ho rostliny mohly efektivně využít. Tradiční metody měří pouze celkové množství železa, přičemž opomíjejí rozdíl mezi těmito formami – což je klíčový faktor v výživě rostlin. Rozdíl mezi Fe(II) a Fe(III) poskytuje informace o účinnosti příjmu železa, pomáhá diagnostikovat nedostatky nebo toxicity a umožňuje přesné strategie hnojení v zemědělství, čímž se snižuje plýtvání a dopad na životní prostředí a zároveň se zlepšuje produktivita plodin.

Tento první nanosensor svého druhu umožňuje sledování příjmu, transportu a změn mezi různými formami železa v reálném čase – poskytuje přesné a podrobné informace o dynamice železa. Jeho vysoké prostorové rozlišení umožňuje přesnou lokalizaci železa v rostlinných tkáních nebo subcelulárních kompartmentech, čímž umožňuje měření i minimálních změn hladin železa v rostlinách – změny, které mohou informovat o tom, jak rostlina zvládá stres a využívá živiny.

Tradiční detekční metody jsou destruktivní nebo omezené na jedinou formu železa. Tato nová technologie umožňuje diagnostikovat nedostatky a optimalizovat strategie hnojení. Identifikací nedostatečného nebo nadměrného příjmu železa lze provést úpravy ke zlepšení zdraví rostlin, snížení odpadu a podpoře udržitelnějšího zemědělství. Ačkoli byl nanosenzor testován na špenátu a pak choi, je druhově nezávislý, takže jej lze použít na širokou škálu rostlinných druhů bez genetické modifikace. Tato schopnost zlepšuje naše chápání dynamiky železa v různých ekologických prostředích a poskytuje komplexní informace o zdraví rostlin a hospodaření s živinami. V důsledku toho slouží jako cenný nástroj jak pro základní výzkum rostlin, tak pro zemědělské aplikace, podporuje přesné hospodaření s živinami, snižuje plýtvání hnojivy a zlepšuje zdraví plodin.

„Železo je nezbytné pro růst a vývoj rostlin, ale sledování jeho hladin v rostlinách bylo výzvou. Tento průlomový senzor je první svého druhu, který detekuje jak Fe(II), tak Fe(III) v živých rostlinách pomocí zobrazování v reálném čase s vysokým rozlišením. S touto technologií můžeme zajistit, aby rostliny dostávaly správné množství železa, čímž se zlepšuje zdraví plodin a udržitelnost zemědělství,“ říká Duc Thinh Khong, vědecký pracovník DiSTAP a spoluautor studie.

Výzkum, nedávno publikovaný v časopise Nano Letters a nazvaný „Nanosensor for Fe(II) and Fe(III) Allowing Spatiotemporal Sensing in Planta“, navazuje na zavedené zkušenosti SMART DiSTAP v oblasti rostlinné nanobioniky a využívá platformu Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe), kterou vyvinula Strano Lab v SMART DiSTAP a MIT. Nový nanosenzor je charakterizován jednoplášťovými uhlíkovými nanotrubicemi (SWNT) obalenými negativně nabitým fluorescenčním polymerem, které tvoří helitickou korónovou fázovou strukturu, která interaguje s Fe(II) a Fe(III) odlišně. Po zavedení do rostlinných tkání a interakci se železem senzor emituje odlišné signály NIR fluorescence v závislosti na typu železa, což umožňuje sledování pohybu železa a chemických změn v reálném čase.

Technika CoPhMoRe byla použita k vývoji vysoce selektivních fluorescenčních odpovědí, které umožňují přesnou detekci oxidačních stavů železa. NIR fluorescence SWNT nabízí lepší citlivost, selektivitu a průhlednost tkáně při minimalizaci interference, díky čemuž je účinnější než konvenční fluorescenční senzory. Tato schopnost umožňuje výzkumníkům sledovat pohyb železa a chemické změny v reálném čase pomocí NIR zobrazování.

Výzkum provádí SMART a podporuje jej Národní výzkumná nadace v rámci programu Campus for Research Excellence And Technological Enterprise.