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, wat precisielandbouw en duurzame gewasbeheer mogelijk maakt. (Afbeelding: SMART DiSTAP)

Eerste nanosensor die Fe(II) en Fe(III) in levende planten onderscheidt

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

Belang van ijzer voor plantengezondheid

Ijzer is cruciaal voor plantengezondheid, ondersteunt fotosynthese, respiratie en enzymfunctie. Het bestaat primair in twee vormen: Fe(II), die direct beschikbaar is voor planten om te absorberen en te gebruiken, en Fe(III), dat eerst omgezet moet worden in Fe(II) voordat planten het effectief kunnen benutten. Traditionele methoden meten alleen totaal ijzer, wat het onderscheid tussen deze vormen mist — een sleutelfactor in plantenvoeding. Het onderscheiden tussen Fe(II) en Fe(III) biedt inzicht in ijzeropname-efficiëntie, helpt bij het diagnosticeren van tekorten of toxiciteiten, en stelt precieze bemestingsstrategieën in de landbouw in, wat afval en milieubelasting vermindert en gewasproductiviteit verbetert.

Unieke mogelijkheden van de nanosensor

De eerste nanosensor van zijn soort, ontwikkeld door SMART-onderzoekers, maakt realtime, non-destructieve monitoring van ijzeropname, transport en veranderingen tussen de verschillende vormen mogelijk — met gedetailleerde waarnemingen van ijzerdynamiek. De hoge ruimtelijke resolutie stelt precieze lokalisatie van ijzer in plantenweefsels of subcellulaire compartimenten in, wat de meting van zelfs minieme veranderingen in ijzerniveaus in planten mogelijk maakt — veranderingen die kunnen informeren over hoe een plant omgaat met stress en voedingsstoffen gebruikt.

Traditionele detectiemethoden zijn ofwel destructief ofwel beperkt tot één vorm van ijzer. Deze nieuwe technologie stelt de diagnose van tekorten en optimalisatie van bemestingsstrategieën in. Door onvoldoende of overmatige ijzerinname te identificeren, kunnen aanpassingen worden gemaakt om plantengezondheid te verbeteren, afval te verminderen en duurzamere landbouw te ondersteunen. Hoewel de nanosensor getest is op spinazie en paksoi, is het species-onafhankelijk, wat toepassing over een diverse reeks plantensoorten zonder genetische modificatie mogelijk maakt. Deze capaciteit verbetert ons begrip van ijzerdynamiek in diverse ecologische omstandigheden, met uitgebreide inzichten in plantengezondheid en voedingsstoffenbeheer. Als gevolg dien het als een waardevol instrument voor zowel fundamenteel plantenonderzoek als landbouwtoepassingen, ondersteunend precisievoedingsbeheer, verminderd mestafval en verbeterde gewasgezondheid.

"Ijzer is essentieel voor plantengroei en -ontwikkeling, maar het monitoren van de niveaus in planten is een uitdaging geweest. Deze doorbraaksensor is de eerste van zijn soort die zowel Fe(II) als Fe(III) in levende planten detecteert met realtime, hoge-resolutie imaging. Met deze technologie kunnen we ervoor zorgen dat planten de juiste hoeveelheid ijzer krijgen, wat gewasgezondheid en landbouwduurzaamheid verbetert," aldus Duc Thinh Khong, DiSTAP-onderzoeker en mede-hoofdauteur van het artikel.

"Door non-destructieve realtime tracking van ijzerspeciatie in planten in te schakelen, opent deze sensor nieuwe paden voor het begrijpen van planten-ijzermetabolisme en de implicaties van verschillende ijzervariaties voor planten. Zulke kennis zal helpen bij de ontwikkeling van op maat gemaakte beheersbenaderingen om gewasopbrengst te verbeteren en meer kosteneffectieve bemestingsstrategieën," aldus Grace Tan, TLL-onderzoeker en mede-hoofdauteur van het artikel.

Technische achtergrond: CoPhMoRe-platform

Het onderzoek, onlangs gepubliceerd in Nano Letters en getiteld "Nanosensor for Fe(II) and Fe(III) Allowing Spatiotemporal Sensing in Planta," bouwt voort op SMART DiSTAP's vastgelegde expertise in plant nanobionics, gebruikmakend van het Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe) platform dat gepioneerd is door het Strano Lab bij SMART DiSTAP en MIT. De nieuwe nanosensor bevat single-walled carbon nanotubes (SWNTs) omhuld door een negatief geladen fluorescerend polymer, wat een helicale corona-fasestructuur vormt die anders interageert met Fe(II) en Fe(III). Bij introductie in plantenweefsels en interactie met ijzer, emiteert de sensor unieke NIR-fluorescentiesignalen gebaseerd op het ijzertype, wat realtime tracking van ijzerbeweging en chemische veranderingen mogelijk maakt.

De CoPhMoRe-techniek werd gebruikt om hoogselectieve fluorescerende responsen te ontwikkelen, wat precieze detectie van ijzeroxidatietoestanden toestaat. De NIR-fluorescentie van SWNTs biedt superieure gevoeligheid, selectiviteit en weefseldoorzichtigheid terwijl interferentie wordt geminimaliseerd, wat het effectiever maakt dan conventionele fluorescente sensoren. Deze capaciteit stelt onderzoekers in staat om ijzerbeweging en chemische veranderingen in realtime te volgen met NIR-imaging.

"Deze sensor biedt een krachtig instrument om plantenmetabolisme, voedingsstoftransport en stressresponsen te bestuderen. Het ondersteunt geoptimaliseerd mestgebruik, vermindert kosten en milieueffecten, en bijdraagt aan meer voedzame gewassen, betere voedselzekerheid en duurzame landbouwkundige praktijken," aldus Professor Daisuke Urano, TLL senior principal investigator, DiSTAP principal investigator, National University of Singapore adjunct assistent professor, en mede-corresponderende auteur van het artikel.

"Deze set sensoren geeft ons toegang tot een belangrijk type signalering in planten, en een kritische voedingsstof nodig voor planten om chlorofyl te maken. Deze nieuwe tool zal niet alleen boeren helpen voedingsstoftekorten te detecteren, maar ook toegang geven tot bepaalde berichten binnen de plant. Het vergroot onze capaciteit om de plantenrespons op de groeiomgeving te begrijpen," aldus Professor Michael Strano, DiSTAP mede-leidend principal investigator, Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering bij MIT, en mede-corresponderende auteur van het artikel.

Toekomstige toepassingen buiten landbouw

Buiten landbouw heeft deze nanosensor belofte voor milieumonitoring, voedselveiligheid en gezondheidswetenschappen, met name in het bestuderen van ijzermetabolisme, ijzertekort en ijzergerelateerde ziekten bij mensen en dieren. Toekomstig onderzoek zal zich richten op het benutten van deze nanosensor om fundamentele plantenstudies over ijzerhomeostase, voedingsstofsignalering en redoxdynamiek te verbeteren. Er worden ook pogingen gedaan om de nanosensor te integreren in geautomatiseerde voedingsstofbeheersystemen voor hydroponische en grondgebaseerde landbouw en de functionaliteit uit te breiden om andere essentiële micronutriënten te detecteren. Deze vooruitgang streeft ernaar duurzaamheid, precisie en efficiëntie in de landbouw te verbeteren.

Voor meer informatie, contacteer Clement Foo via dit e-mailadres is beschermd tegen spambots. U heeft JavaScript ingeschakeld om het te kunnen zien..