Los ingenieros del MIT han desarrollado una forma de seguir de cerca cómo las plantas responden a tensiones como lesiones, infección, y daños leves, utilizando sensores hechos de nanotubos de carbono. Estos sensores se pueden incrustar en las hojas de las plantas, donde informan sobre ondas de señalización de peróxido de hidrógeno.

Las plantas usan peróxido de hidrógeno para comunicarse dentro de sus hojas, enviando una señal de angustia que estimula a las células de las hojas para que produzcan compuestos que las ayudarán a reparar el daño o defenderse de los depredadores como los insectos. Los nuevos sensores pueden utilizar estas señales de peróxido de hidrógeno para distinguir entre diferentes 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, comunicar el tipo específico de estrés que está experimentando, "dice Michael Strano, el profesor Carbon P. Dubbs de Ingeniería Química en el MIT.

Este tipo de sensor podría usarse para estudiar cómo las plantas responden a diferentes tipos de estrés, potencialmente 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, incluyendo espinacas, plantas de fresa, y rúcula, y creen que podría funcionar en muchos más.

Strano es el autor principal del estudio, que aparece hoy en Plantas de la naturaleza . El estudiante graduado del MIT, Tedrick Thomas Salim Lew, es el autor principal del artículo.

Sensores integrados

Durante los últimos años, El laboratorio de Strano ha estado explorando el potencial de la ingeniería de "plantas nanobiónicas", plantas que incorporan nanomateriales que dan a las plantas nuevas funciones. como emitir luz o detectar escasez de agua. En el nuevo estudio, se propuso incorporar sensores que informaran sobre el estado de salud de las plantas.

Strano había desarrollado previamente sensores de nanotubos de carbono que pueden detectar varias moléculas, incluido el peróxido de hidrógeno. Hace unos tres años, Lew comenzó a trabajar para intentar incorporar estos sensores en las hojas de las plantas. Estudios en Arabidopsis thaliana, utilizado a menudo para estudios moleculares de plantas, había sugerido 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 trabajaba en la integración de los sensores de nanotubos de carbono, hizo un descubrimiento fortuito.

"Me estaba entrenando para familiarizarme con la técnica, y en el proceso de entrenamiento, accidentalmente le hice una herida a la planta. Luego vi esta evolución de la señal de peróxido de hidrógeno, " él dice.

Vio que después de que una hoja se lesionara, El peróxido de hidrógeno se liberó del sitio de la herida y generó una onda que se extendió a lo largo de la hoja, similar a la forma en que las neuronas transmiten impulsos eléctricos en nuestro cerebro. Como una célula vegetal libera peróxido de hidrógeno, desencadena la liberación de calcio dentro de las células adyacentes, que estimula a esas células a liberar más peróxido de hidrógeno.

"Como fichas de dominó que caen sucesivamente, esto crea una onda que puede propagarse mucho más lejos de lo que lo haría una bocanada de peróxido de hidrógeno por sí sola, "Dice Strano." La onda en sí es impulsada 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 flavonoides o carotenoides, que les ayudan a reparar el daño. Algunas plantas también producen otros metabolitos secundarios que pueden secretarse para defenderse de los depredadores. Estos metabolitos son a menudo la fuente de los sabores alimentarios que deseamos en nuestras plantas comestibles. y solo se producen bajo estrés.

Una ventaja clave de la nueva técnica de detección es que se puede utilizar en muchas especies de plantas diferentes. Tradicionalmente, Los biólogos de plantas han realizado gran parte de su investigación en biología molecular en ciertas plantas que son susceptibles de manipulación genética. incluyendo Arabidopsis thaliana y plantas de tabaco. Sin embargo, el nuevo enfoque del MIT es aplicable potencialmente a cualquier planta.

"En este estudio, pudimos comparar rápidamente ocho especies de plantas, y no podrías hacer eso con las herramientas antiguas, "Dice Strano.

Los investigadores probaron plantas de fresa, Espinacas, Rúcula, lechuga, berro, y acedera, y descubrió que diferentes especies parecen producir diferentes formas de onda, la forma distintiva que se produce al mapear la concentración de peróxido de hidrógeno a lo largo del tiempo. Ellos plantean la hipótesis de que la respuesta de cada planta está relacionada con su capacidad para contrarrestar el daño. Cada especie también parece responder de manera diferente a diferentes tipos de estrés, incluyendo lesiones mecánicas, infección, y daño por calor o 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 observar la respuesta en tiempo real que experimenta una planta en casi cualquier entorno nuevo ".

Respuesta al estrés

La fluorescencia del infrarrojo cercano producida por los sensores se puede obtener con una pequeña cámara de infrarrojos 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 utilizar instrumentación muy económica para capturar la señal, "Dice Strano.

Las aplicaciones de esta tecnología incluyen el cribado de diferentes especies de plantas por su capacidad para resistir daños mecánicos, luz, calor, y otras formas de estrés, Dice Strano. También podría usarse para estudiar cómo las diferentes especies responden a los patógenos, como las bacterias 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 comprender por qué algunos tipos de plantas exhiben cierta inmunidad a estos patógenos y otras no, " él dice.

Strano y sus colegas en el grupo de investigación interdisciplinaria Tecnología disruptiva y sostenible para la precisión agrícola en la Alianza para la Investigación y Tecnología del MIT-Singapur (SMART), Empresa de investigación del MIT en Singapur, También están interesados ​​en estudiar cómo responden las plantas a las diferentes condiciones de cultivo en las 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. Tales plantas activan una respuesta al estrés que desvía sus recursos para crecer más alto, en lugar de invertir energía en la producción de cultivos. Esto reduce el rendimiento general del cultivo, por lo que los investigadores agrícolas están interesados ​​en diseñar plantas para que no activen esa respuesta.

"Nuestro sensor nos permite interceptar esa señal de estrés y comprender exactamente las condiciones y el mecanismo que está sucediendo corriente arriba y corriente abajo en la planta que da lugar a la evitación de la sombra". "Dice Strano.