Растения теперь могут сказать вам, когда они в стрессе

Любой, кто пытался сохранить растения на веранде или домашний огород в период сезонных изменений, знает: это легче сказать, чем сделать. Внезапные перепады температур — например, заморозки — и продолжительные засушливые периоды могут вызывать у растений стресс, нарушая их нормальную биохимию. Если не принять меры достаточно быстро, этот стресс может в конечном итоге погубить растение. Разочарованные садоводы часто замечают характерные признаки (такие как увядание или побурение листьев), лишь когда уже слишком поздно. Однако новое устройство для растений, разработанное исследователями Американского химического общества, может обеспечить систему раннего предупреждения.

Устройство, подробно описанное в журнале ACS Sensors, представляет собой электромагнитный датчик, который крепится непосредственно к листьям растений. Его задача — обнаруживать перекись водорода — химическое вещество, выделяемое растениями при воздействии неблагоприятных условий окружающей среды. Датчик состоит из массива микроскопических пластиковых игл, закрепленных на гибкой основе. Основа покрыта гидрогелем на основе хитозана, способным улавливать даже малые количества перекиси водорода, которая затем преобразуется в электрический ток. Наличие этого тока предупреждает растениеводов о уровне стресса их растений.

В нескольких экспериментах носимой устройство точно определяло наличие перекиси водорода у групп растений, подвергшихся воздействию патогена. В теории, как отмечается в исследовании, аналогичный тип устройства можно применять для больших урожаев в качестве доступного способа выявить растения, испытывающие стресс, до того, как их уже нельзя будет спасти.

«Эта сенсорная технология потенциально может функционировать как портативное устройство для измерения на месте реактивных форм кислорода в растениях, обеспечивая быстрое и экономичное решение для количественного определения перекиси водорода», — пишут исследователи в статье.

Целый ряд факторов окружающей среды — таких как засуха, высокая засоленность, вредители или патогены — может вызывать у растений стресс. Когда это происходит, растения естественным образом производят перекись водорода, которая, по словам исследователей, «служит индикатором острого стресса». Это сигнализирует растительным клеткам активировать различные защитные механизмы. Если стрессоры сохраняются слишком долго, они в конечном итоге могут убить растение. Ранее исследователи отслеживали ранние признаки стресса у растений, беря небольшие образцы или наблюдая за изменениями флуоресценции. Но ни один из этих вариантов не идеален. Забор образцов может повредить растение и вызвать у него собственный стресс, а обнаружение изменений флуоресценции может быть затруднительно для четкого выявления.

Вот где пригодится носимой устройство для растений. Прикрепив электрохимический датчик непосредственно к листьям растения, исследователи полагали, что смогут получить почти мгновенный отклик, сводя к минимуму физическое воздействие на растение. На практике микроиглы датчика проникают в растительную ткань и обнаруживают перекись водорода без необходимости отбирать образцы сока. Поверхность микроигл покрыта тонким слоем золота, смешанного с биогидрогелем из биосовместимого и гидрофильного хитозана и ферментов пероксидазы хрена.

Исследователи закрепили эти датчики на нескольких группах растений табака и сои. Часть этих растений была подвержена воздействию бактериального патогена Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, в то время как контрольная группа оставалась здоровой. Как и ожидалось, датчики, закрепленные на зараженных растениях, быстро показали наличие перекиси водорода, что указывало на стресс. Исследователи отмечают, что уровни электрического тока, измеренные датчиками, также были «напрямую связаны» с количеством выделяемой перекиси водорода. Одну и ту же пластину можно было повторно использовать до девяти раз, прежде чем иглы изнашивались и теряли форму.

«Мы можем проводить прямые измерения менее чем за минуту, и каждый тест обходится меньше чем в доллар», — заявил в своем заявлении исследователь и соавтор статьи Лян Дон. «Этот прорыв значительно упростит анализ, сделав практичным для фермеров использование нашего сенсора для мониторинга болезней сельскохозяйственных культур в реальном времени».

Донг и его соавторы настроены оптимистично и считают, что эту технологию можно будет масштабировать, чтобы помочь фермерам и садоводам удаленно отслеживать состояние своих растений на предмет признаков нарушения здоровья. Это часть более масштабной формирующейся тенденции в сельском хозяйстве — внедрения датчиков мониторинга с искусственным интеллектом и даже автономных роботов для обеспечения круглосуточного ухода за растениями. И ставки здесь высоки. По оценкам Национального института продовольствия и сельского хозяйства США, ежегодно около 20–30 процентов глобального производства сельскохозяйственных культур теряется из-за вредителей и болезней, что приводит к оценочным потерям, превышающим 220 миллиардов долларов.

Mack DeGeurin “Plants can now tell you when they’re stressed out”

Перевод статьи «Plants can now tell you when they’re stressed out» автора Mack DeGeurin, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык