MIT-onderzoekers onthullen nanosensor voor realtime ijzermonitoring in planten

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

DiSTAP-onderzoekers ontwikkelden sensoren voor snelle ijzerdetectie en monitoring in planten, waardoor precisielandbouw en duurzaam gewasbeheer mogelijk worden. (Afbeelding:met dank aan SMART DiSTAP)

Onderzoekers van de interdisciplinaire onderzoeksgroep Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) van de Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), de onderzoeksonderneming van MIT in Singapore, hebben in samenwerking met Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) en MIT een baanbrekende nabij-infrarood (NIR) fluorescerende nanosensor ontwikkeld die in staat is om gelijktijdig ijzervormen – Fe(II) en Fe(III) – in levende planten te detecteren en te differentiëren.

IJzer is cruciaal voor de gezondheid van planten en ondersteunt de fotosynthese, ademhaling en enzymfunctie. Het bestaat voornamelijk in twee vormen:Fe(II), dat gemakkelijk door planten kan worden opgenomen en gebruikt, en Fe(III), dat eerst moet worden omgezet in Fe(II) voordat planten het effectief kunnen gebruiken. Traditionele methoden meten alleen het totale ijzergehalte en missen het onderscheid tussen deze vormen – een sleutelfactor in de plantenvoeding. Het onderscheid maken tussen Fe(II) en Fe(III) geeft inzicht in de efficiëntie van de ijzeropname, helpt tekorten of toxiciteiten te diagnosticeren en maakt precieze bemestingsstrategieën in de landbouw mogelijk, waardoor afval en de impact op het milieu worden verminderd en de gewasproductiviteit wordt verbeterd.

De eerste nanosensor in zijn soort, ontwikkeld door SMART-onderzoekers, maakt real-time, niet-destructieve monitoring van de ijzeropname, het transport en de veranderingen tussen de verschillende vormen mogelijk - waardoor nauwkeurige en gedetailleerde observaties van de ijzerdynamiek worden verkregen. De hoge ruimtelijke resolutie maakt nauwkeurige lokalisatie van ijzer in plantenweefsels of subcellulaire compartimenten mogelijk, waardoor zelfs minieme veranderingen in het ijzergehalte in planten kunnen worden gemeten; veranderingen die informatie kunnen geven over hoe een plant omgaat met stress en voedingsstoffen gebruikt.

Traditionele detectiemethoden zijn destructief of beperkt tot één enkele vorm van ijzer. Deze nieuwe technologie maakt de diagnose van tekortkomingen en optimalisatie van bemestingsstrategieën mogelijk. Door onvoldoende of overmatige ijzerinname te identificeren, kunnen aanpassingen worden gedaan om de gezondheid van planten te verbeteren, afval te verminderen en een duurzamere landbouw te ondersteunen. Hoewel de nanosensor werd getest op spinazie en paksoi, is hij soort-agnostisch, waardoor hij zonder genetische modificatie kan worden toegepast op een breed scala aan plantensoorten. Deze mogelijkheid vergroot ons begrip van de ijzerdynamiek in verschillende ecologische omgevingen en biedt uitgebreide inzichten in de plantgezondheid en het nutriëntenbeheer. Als gevolg hiervan dient het als een waardevol instrument voor zowel fundamenteel plantonderzoek als landbouwtoepassingen, ondersteunt het nauwkeurig nutriëntenbeheer, vermindert het verspilling van kunstmest en verbetert het de gezondheid van gewassen.

"IJzer is essentieel voor de groei en ontwikkeling van planten, maar het monitoren van de niveaus ervan in planten was een uitdaging. Deze baanbrekende sensor is de eerste in zijn soort die zowel Fe(II) als Fe(III) in levende planten detecteert met realtime beeldvorming met hoge resolutie. Met deze technologie kunnen we ervoor zorgen dat planten de juiste hoeveelheid ijzer ontvangen, waardoor de gezondheid van gewassen en de duurzaamheid van de landbouw worden verbeterd", aldus Duc Thinh Khong, DiSTAP-onderzoekswetenschapper en mede-hoofdauteur van het artikel.

"Door het mogelijk maken van niet-destructieve realtime tracking van ijzerspeciatie in planten, opent deze sensor nieuwe wegen voor het begrijpen van het ijzermetabolisme in planten en de implicaties van verschillende ijzervariaties voor planten. Dergelijke kennis zal helpen bij de ontwikkeling van op maat gemaakte managementbenaderingen om de gewasopbrengst en meer kosteneffectieve bodembemestingsstrategieën te verbeteren", zegt Grace Tan, TLL-onderzoekswetenschapper en co-hoofdauteur van het artikel.

Het onderzoek, onlangs gepubliceerd in Nano Letters en getiteld ‘Nanosensor for Fe(II) and Fe(III) Allowing Spatiotemporal Sensing in Planta’, bouwt voort op de gevestigde expertise van SMART DiSTAP op het gebied van nanobionica van planten, waarbij gebruik wordt gemaakt van het Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe)-platform dat is ontwikkeld door het Strano Lab van SMART DiSTAP en MIT. De nieuwe nanosensor is voorzien van enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWNT's) gewikkeld in een negatief geladen fluorescerend polymeer, waardoor een spiraalvormige coronafasestructuur ontstaat die anders interageert met Fe(II) en Fe(III). Bij introductie in plantenweefsels en interactie met ijzer zendt de sensor verschillende NIR-fluorescentiesignalen uit op basis van het ijzertype, waardoor het in realtime volgen van de ijzerbeweging en chemische veranderingen mogelijk is.

De CoPhMoRe-techniek werd gebruikt om zeer selectieve fluorescentiereacties te ontwikkelen, waardoor nauwkeurige detectie van ijzeroxidatietoestanden mogelijk is. De NIR-fluorescentie van SWNT's biedt superieure gevoeligheid, selectiviteit en weefseltransparantie terwijl interferentie wordt geminimaliseerd, waardoor deze effectiever is dan conventionele fluorescentiesensoren. Dankzij deze mogelijkheid kunnen onderzoekers de ijzerbeweging en chemische veranderingen in realtime volgen met behulp van NIR-beeldvorming.

"Deze sensor biedt een krachtig hulpmiddel om het metabolisme van planten, het transport van voedingsstoffen en stressreacties te bestuderen. Hij ondersteunt een geoptimaliseerd gebruik van kunstmest, verlaagt de kosten en de gevolgen voor het milieu, en draagt bij aan voedzamere gewassen, betere voedselzekerheid en duurzame landbouwpraktijken", zegt professor Daisuke Urano, senior hoofdonderzoeker van TLL, hoofdonderzoeker van DiSTAP, adjunct-assistent-professor van de National University of Singapore en co-corresponderend auteur van het artikel.

"Deze reeks sensoren geeft ons toegang tot een belangrijk type signalering in planten, en een cruciale voedingsstof die nodig is voor planten om chlorofyl aan te maken. Dit nieuwe instrument zal boeren niet alleen helpen om tekorten aan voedingsstoffen op te sporen, maar ook om toegang te geven tot bepaalde boodschappen binnen de plant. Het vergroot ons vermogen om de reactie van planten op zijn groeiomgeving te begrijpen", zegt professor Michael Strano, mede-hoofdonderzoeker van DiSTAP, Carbon P. Dubbs hoogleraar chemische technologie aan het MIT, en co-corresponderend auteur van het papier.

Naast de landbouw is deze nanosensor veelbelovend voor milieumonitoring, voedselveiligheid en gezondheidswetenschappen, vooral bij het bestuderen van het ijzermetabolisme, ijzertekort en ijzergerelateerde ziekten bij mens en dier. Toekomstig onderzoek zal zich richten op het gebruik van deze nanosensor om fundamentele plantenstudies op het gebied van ijzerhomeostase, nutriëntensignalering en redoxdynamiek te bevorderen. Er worden ook inspanningen geleverd om de nanosensor te integreren in geautomatiseerde nutriëntenbeheersystemen voor hydrocultuur- en bodemgebaseerde landbouw en om de functionaliteit ervan uit te breiden om andere essentiële micronutriënten te detecteren. Deze verbeteringen zijn bedoeld om de duurzaamheid, precisie en efficiëntie in de landbouw te verbeteren.

Neem voor meer informatie contact op met Clement Foo op Dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien..