Los ingenieros del MIT han desarrollado una forma de rastrear de cerca cómo responden las plantas a tensiones como lesiones, infecciones y daños por luz, utilizando sensores hechos de nanotubos de carbono. Estos sensores pueden integrarse en las hojas de las plantas, donde informan sobre las ondas de señalización de peróxido de hidrógeno.
Las plantas usan peróxido de hidrógeno para comunicarse dentro de sus hojas, enviando una señal de socorro que estimula las células de la hoja para producir compuestos que les ayudarán a reparar el daño o ahuyentar a los depredadores como los insectos. Los nuevos sensores pueden usar estas señales de peróxido de hidrógeno para distinguir entrediferentes tipos de estrés, así como entre diferentes especies de plantas.
"Las plantas tienen una forma muy sofisticada de comunicación interna, que ahora podemos observar por primera vez. Eso significa que en tiempo real, podemos ver la respuesta de una planta viva, comunicando el tipo específico de estrés que está experimentando".dice Michael Strano, el profesor de Ingeniería Química Carbon P. Dubbs en el MIT.
Este tipo de sensor podría usarse para estudiar cómo las plantas responden a diferentes tipos de estrés, lo que podría ayudar a los científicos agrícolas a desarrollar nuevas estrategias para mejorar el rendimiento de los cultivos. Los investigadores demostraron su enfoque en ocho especies de plantas diferentes, incluidas las espinacas, las plantas de fresa yrúcula, y creen que podría funcionar en muchos más.
Strano es el autor principal del estudio, que aparece hoy en Plantas naturales . El estudiante graduado del MIT Tedrick Thomas Salim Lew es el autor principal del artículo.
sensores integrados
En los últimos años, el laboratorio de Strano ha estado explorando el potencial para la ingeniería de "plantas nanobiónicas", plantas que incorporan nanomateriales que le dan a las plantas nuevas funciones, como emitir luz o detectar escasez de agua. En el nuevo estudio, estableciópara incorporar sensores que informarían sobre el estado de salud de las plantas.
Strano había desarrollado previamente sensores de nanotubos de carbono que pueden detectar diversas moléculas, incluido el peróxido de hidrógeno. Hace unos tres años, Lew comenzó a trabajar para tratar de incorporar estos sensores en las hojas de las plantas. Estudios en Arabidopsis thaliana, a menudo utilizados para estudios moleculares de plantas,sugirió que las plantas podrían usar peróxido de hidrógeno como molécula de señalización, pero su función exacta no estaba clara.
Lew utilizó un método llamado penetración de la envoltura de intercambio de lípidos LEEP para incorporar los sensores en las hojas de las plantas. LEEP, que el laboratorio de Strano desarrolló hace varios años, permite el diseño de nanopartículas que pueden penetrar las membranas celulares de las plantas. Mientras Lew estaba trabajando enincrustando los sensores de nanotubos de carbono, hizo un descubrimiento fortuito.
"Me estaba entrenando para familiarizarme con la técnica, y en el proceso del entrenamiento infligí accidentalmente una herida en la planta. Luego vi esta evolución de la señal de peróxido de hidrógeno", dice.
Vio que después de que una hoja resultó herida, el peróxido de hidrógeno se liberó del sitio de la herida y generó una onda que se extendió a lo largo de la hoja, de forma similar a la forma en que las neuronas transmiten impulsos eléctricos en nuestros cerebros. Cuando una célula vegetal libera peróxido de hidrógenodesencadena la liberación de calcio dentro de las células adyacentes, lo que estimula a esas células a liberar más peróxido de hidrógeno.
"Al igual que las fichas de dominó que caen sucesivamente, esto genera una ola que puede propagarse mucho más de lo que lo haría un soplo de peróxido de hidrógeno", dice Strano. "La ola en sí es alimentada por las células que la reciben y propagan".
Esta inundación de peróxido de hidrógeno estimula a las células vegetales a producir moléculas llamadas metabolitos secundarios, como los flavonoides o carotenoides, que los ayudan a reparar el daño. Algunas plantas también producen otros metabolitos secundarios que pueden secretarse para defenderse de los depredadores. Estos metabolitos sona menudo, la fuente de los sabores de los alimentos que deseamos en nuestras plantas comestibles, y solo se producen bajo estrés.
Una ventaja clave de la nueva técnica de detección es que puede usarse en muchas especies de plantas diferentes. Tradicionalmente, los biólogos de plantas han realizado gran parte de su investigación de biología molecular en ciertas plantas que son susceptibles de manipulación genética, incluidas Arabidopsis thaliana y plantas de tabacoSin embargo, el nuevo enfoque MIT es aplicable a potencialmente cualquier planta.
"En este estudio, pudimos comparar rápidamente ocho especies de plantas, y no podría hacerlo con las herramientas antiguas", dice Strano.
Los investigadores probaron plantas de fresa, espinacas, rúcula, lechuga, berros y acedera, y descubrieron que diferentes especies parecen producir diferentes formas de onda, la forma distintiva producida al mapear la concentración de peróxido de hidrógeno a lo largo del tiempo. Hipotetizan que cada plantala respuesta está relacionada con su capacidad para contrarrestar el daño. Cada especie también parece responder de manera diferente a los diferentes tipos de estrés, incluidas las lesiones mecánicas, las infecciones y el daño por calor o por la luz.
"Esta forma de onda contiene mucha información para cada especie, y aún más emocionante es que el tipo de estrés en una planta determinada está codificado en esta forma de onda", dice Strano. "Puede ver la respuesta en tiempo real de que una plantaexperiencias en casi cualquier entorno nuevo "
respuesta al estrés
La fluorescencia del infrarrojo cercano producida por los sensores se puede tomar imágenes usando una pequeña cámara infrarroja conectada a una Raspberry Pi, una computadora del tamaño de una tarjeta de crédito de $ 35 similar a la computadora dentro de un teléfono inteligente ". Se puede usar instrumentación muy económica para capturarla señal ", dice Strano.
Strano dice que las aplicaciones para esta tecnología incluyen la detección de diferentes especies de plantas por su capacidad de resistir daños mecánicos, luz, calor y otras formas de estrés. También podría usarse para estudiar cómo las diferentes especies responden a los patógenos, como elbacterias que causan el enverdecimiento de los cítricos y el hongo que causa la roya del café.
"Una de las cosas que me interesa hacer es entender por qué algunos tipos de plantas exhiben cierta inmunidad a estos patógenos y otras no", dice.
Strano y sus colegas en el grupo de investigación interdisciplinaria Tecnología disruptiva y sostenible para la precisión agrícola en la Alianza MIT-Singapur para la Investigación y Tecnología SMART, la empresa de investigación del MIT en Singapur, también están interesados en estudiar cómo las plantas responden a diferentes cultivoscondiciones en granjas urbanas.
Un problema que esperan abordar es evitar la sombra, que se ve en muchas especies de plantas cuando se cultivan a alta densidad. Estas plantas activan una respuesta al estrés que desvía sus recursos para crecer más alto, en lugar de poner energía en la producción de cultivosEsto reduce el rendimiento general de los cultivos, por lo que los investigadores agrícolas están interesados en las plantas de ingeniería para que no activen esa respuesta.
"Nuestro sensor nos permite interceptar esa señal de estrés y comprender exactamente las condiciones y el mecanismo que están sucediendo aguas arriba y aguas abajo en la planta que da lugar a la evitación de la sombra", dice Strano.
La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Investigación de Singapur, la Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación de Singapur A * STAR y el Programa de Becas para Graduados en Ciencias Computacionales del Departamento de Energía de EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Anne Trafton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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