植物免疫反应实时监测的 “电子纹身”：开启农业健康管理新征程

《Nature Communications》：Epidermal electronic-tattoo for plant immune response monitoring

为解决植物免疫反应实时监测难题，研究人员开展了关于植物电子纹身（e-tattoo）的研究。他们制备出超薄、无基底且高导电的 e-tattoo，能通过非侵入式电阻抗谱（EIS）监测植物免疫反应。该研究有助于深入理解植物免疫机制，为植物健康管理提供新手段。

　　在广袤的农业世界里，植物病害如同潜伏的 “杀手”，时刻威胁着全球农业的安全。据联合国粮食及农业组织（FAO）估算，每年因植物病害造成的经济损失高达约 2200 亿美元。植物为了抵御这些病害，进化出了复杂的免疫系统。了解植物的免疫反应，就如同掌握了植物健康的 “密码”，不仅能及时采取措施保护植物，还能深入探究植物免疫的内在机制，为农业可持续发展提供有力支持。

然而，目前的研究方法却存在诸多困境。传统的分子水平检测手段，如转录组学、蛋白质组学和代谢组学，虽然能深入探索植物免疫的机制和信号通路，但它们往往需要对植物进行破坏性采样，操作过程繁琐且耗时，就像要拆开一座精密的仪器去检查它的内部构造，这不仅会损伤植物，还难以捕捉到免疫反应过程中快速而微妙的变化。比如常用的电解质渗漏试验，需要从植物叶片上打孔取样，再浸入超纯水中测量电导率，这样的操作无法实时监测植物免疫反应动态变化。

为了突破这些难题，新加坡国立大学（National University of Singapore）的研究人员展开了一项创新研究。他们研发出一种超薄、无基底且高导电性的植物电子纹身（e-tattoo），利用非侵入式电阻抗谱（EIS）技术，实现了对植物免疫反应的实时、无创监测。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，为植物免疫研究领域带来了新的曙光。

研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。首先，采用真空过滤和水中转移印刷技术制备 e-tattoo，确保其超薄、均匀且导电性良好；其次，运用 EIS 技术测量植物组织的电阻抗，通过分析电阻抗变化来监测植物免疫反应；此外，还借助 RNA 测序（RNA-seq）和组织离子泄漏测试等手段，验证 EIS 数据与植物生理和分子变化的相关性。

下面来详细看看研究结果：

• e-tattoo 的设计：研究人员通过真空过滤法制备了由银纳米线（AgNW）网络构成的 e-tattoo，其厚度约 100nm，具有良好的光学透明性，能通过水中转移印刷技术轻柔地转移到植物叶片表面，还可通过设计掩模在叶片上形成图案，并且配置成两电极结构用于 EIS 分析。
• e-tattoo 的生物相容性：对拟南芥（Arabidopsis thaliana）和绿萝进行实验，结果显示 e-tattoo 对植物生长发育无明显不良影响，其能很好地贴合叶片表面，不影响气孔功能，也不阻碍光合作用，保证了长期附着和监测的可行性。
• e-tattoo 的表征：e-tattoo 在不同表面都具有良好的导电性，弯曲、浸泡在水中、温度变化以及长期放置时电阻变化均较小，能稳定地贴合变形的叶片，确保了 EIS 数据采集的准确性。
• 通过 e-tattoo 进行叶片的电化学阻抗谱分析：与传统金属电极相比，e-tattoo 在低频范围内阻抗更低，能更好地贴合叶片，在多种植物叶片上都能获取高质量的 EIS 数据，并且在长期监测中表现稳定。
• 监测拟南芥的自身免疫反应：利用 DANGEROUS MIX（DM）遗传系统诱导拟南芥的免疫反应，e-tattoo 监测发现转基因拟南芥在乙醇诱导后 3 - 4 小时，叶片阻抗显著下降，早于可见的免疫症状出现。RNA-seq 分析和离子泄漏测试进一步证实了 EIS 数据能准确反映免疫反应相关的生理和分子变化。

研究结论和讨论部分指出，这种基于 e-tattoo 的非侵入式传感技术，为植物免疫反应监测提供了强大的工具。它不仅能实时、连续地监测植物免疫反应，还能与遗传方法相结合，从生理和生物物理层面深入研究植物免疫的分子基础。不过，目前该技术也存在一些需要改进的地方，例如提高叶片电极和电线连接界面的长期耐久性，进一步研究其对不同免疫途径监测的特异性，优化对模式触发免疫（PTI）和效应子触发免疫（ETI）的区分能力等。未来，随着这些问题的解决，e-tattoo 有望在植物免疫研究和农业生产中发挥更大的作用，帮助我们更好地理解植物免疫机制，保障植物健康生长，推动农业可持续发展。