研究揭示用于监测植物健康的纳米传感器！

以下文章来源于Ad植物微生物 ，作者周小马

为了满足不断增长的人类人口对食物和能源的需求，到2050年，作物产量需要增加50%以上。提高农业产量的巨大挑战受到非生物和生物胁迫因素的影响，这些胁迫因素降低了作物的生长和产量，导致了全世界范围内的重大作物损失。气候变化预计会增加胁迫事件的频率和强度，使问题更加严重。为了应对这一挑战，有必要对有限的水资源进行精确的管理，有效地输送营养物质和农药。这可以通过开发实时监测植物健康的技术来实现。纳米传感器能使植物与电子设备通信，以优化作物生长和产量，应对胁迫或资源短缺。它们将植物化学信号转化为数字信息，用于农业和表型设备对植物健康的实时监测。这种方法还可以实现化学表型的高通量筛选，以确定更好的抗逆性品种。

国际权威学术期刊Nature Nanotechnology发表了首尔国立大学Seon-Yeong Kwak和Dae Hong Jeong团队的最新相关研究成果，题为In vivo surface-enhanced Raman scattering nanosensor for the real-time monitoring of multiple stress signalling molecules in plants的研究论文。他们开发了用于在体内对多种植物生物大分子进行光学监测的纳米传感器，可以实时检测植物胁迫的发生和胁迫类型。

该纳米传感器由涂有聚合物的银纳米壳组成，该聚合物可吸引纳米材料表面的特定植物生物分子（图1）。分析物的近红外（NIR）拉曼光学信号在纳米传感器表面的热点处被放大。拉曼光谱之前已被应用于体内植物非生物胁迫的早期诊断，但科研人员开发的表面增强拉曼光谱（SERS）纳米传感器允许以高信噪比同时无损检测多种植物生物大分子，包括水杨酸、生长素和叶酸。这些生物大分子是植物生长和发育的关键调节因子，它们是植物胁迫的早期指标。例如，水杨酸控制着保护植物器官免受感染的系统性免疫反应。由于内源性植物信号分子在含有许多其他有机化合物的复杂介质中的浓度较低，因此检测内源性植物信号分子具有挑战性。然而，植物生物分子通过非共价键和静电相互作用优先结合到SERS纳米传感器表面，导致了强烈的拉曼信号，克服了植物背景干扰。此外，该传感器在生物组织相对透明的近红外光学窗口工作。纳米传感器的高信噪比、快速和多路采集的SERS信号允许早期识别活体植物的非生物和生物类型的胁迫。为了同时区分多种分析物，应用了一个结合模型来分解各种拉曼光谱成分并减少评估分析物浓度的模糊性。这种具有无标记多路复用能力的植物分子体内实时传感的创新方法结合了两个优点：拉曼光谱的丰富化学信息与空间定位和纳米粒子的信号增强。

图1：利用成像设备对植物胁迫进行早期诊断的纳米技术

尽管SERS提供了有价值的化学信息的空间分布，但拉曼逐点测绘和时间框架采集限制了捕捉植物中信号分子快速动态的能力。SERS的时间分辨率可以通过使用非线性拉曼光谱的光学信号增强工具或通过修改纳米传感器的表面特性来进一步提高。相反，基于单壁碳纳米管近红外荧光发射的纳米传感器已被报道，以高时间分辨率捕获这些植物信号分子的快速变化，但尚未在体内获得亚细胞分辨率。在植物荧光背景下记录SERS信号需要高度敏感的实验室显微镜设备进行检测。如今，拉曼光谱可以在植物中使用定制的、能够在现场操作的便携式系统进行检测，为在现场和植物表型设施中基于SERS纳米传感的应用打开了大门。由于复杂的生物基质中的杂质和异质性，基于拉曼的关于生物体分子组成的化学信息也很难解释。先进的去卷积和人工智能工具正在促进复杂系统内拉曼光谱特征的解释。

基于纳米技术的方法是与物种无关的工具，这使得它们很容易在野生型植物中转化，而不需要进行基因改造。基于纳米技术的植物生物分子的多重检测能够对胁迫的发生和类型进行早期诊断。这一点已经通过提供植物挥发物模式识别的传感器阵列实现，现在由科研人员通过SERS纳米传感器对内源性植物生物大分子进行检测。通过使用SERS纳米传感器技术、手持式拉曼光谱仪和多光谱成像工具，以及用于自动识别植物胁迫的光谱库和算法，用户友好的植物健康监测和化学表型可能即将实现。将多种纳米传感器结合起来，利用拉曼信号的化学特异性丰富植物生物分子的不同子集，可以进一步推动植物健康监测技术。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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