植物脱水检测的新方法

SMART研究人员开发的传感器能够检测植物木质部的pH值变化，使农民能够在明显的身体症状出现前48小时检测到干旱胁迫。

　　

你有没有想过，你的植物是干燥脱水了，还是你没有给它们浇水？农民和热衷于园艺的人可能很快就有办法实时发现这一点。

在过去的十年里，研究人员一直致力于传感器的研究，以检测各种各样的化合物，而一个关键的瓶颈是开发可用于活体生物系统的传感器。新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的新型传感器将改变这一切，这种传感器可以检测活植物的pH值变化——植物干旱胁迫的一个指标——并能够在干旱胁迫导致不可逆转的产量损失之前及时发现和管理干旱胁迫。

麻省理工学院在新加坡的研究企业SMART的颠覆性和可持续农业精密技术（DiSTAP）跨学科研究小组的研究人员与淡马锡生命科学实验室和麻省理工学院合作，率先开发了世界上第一个集成在丝素蛋白（SF）微针内的共价有机框架（COF）传感器，用于植物内生理pH变化的检测。这项先进的技术可以检测到植物木质部组织中酸度的减少，比传统方法早48小时提供植物干旱胁迫的早期预警。

干旱（或缺水）是一个重要的胁迫因素，通过影响植物的关键代谢途径、减少叶片大小、茎伸长和根系增殖而导致产量降低。如果时间延长，最终会导致植物变色、枯萎甚至死亡。随着农业挑战——包括气候变化、成本上升和土地空间不足带来的挑战——不断升级，并对作物生产和产量产生不利影响，农民往往无法采取积极措施或进行症状前诊断，以便及早及时干预。这强调了改进传感器集成的必要性，以促进农业实践中的体内评估和及时干预。

“这种类型的传感器可以很容易地连接到工厂，并通过简单的仪器进行查询。因此，它可以为农民和研究人员带来强大的分析，就像我们在DISTAP中开发的工具一样，”Michael Strano教授说，他是DISTAP的共同通讯作者，共同首席研究员，麻省理工学院化学工程教授Carbon P. Dubbs。

SMART的突破解决了基于COF传感器的长期挑战，到目前为止，这种传感器无法与生物组织相互作用。COFs是有机分子或聚合物的网络，其中包含与氢、氧或氮等元素结合的碳原子，它们排列成一致的晶体状结构，并根据不同的pH值改变颜色。由于干旱胁迫可以通过植物组织中pH值的变化来检测，这种基于COF的新型传感器可以通过实时测量植物木质部组织中的pH值来早期检测植物的干旱胁迫。这种方法可以帮助农民在不断变化的气候模式和环境条件下优化作物生产和产量。

“在气候变化、资源有限和需要减少碳足迹所带来的挑战下，世界正努力提高全球粮食安全，COF-silk传感器提供了一个新工具的例子，可以使农业更加精确。“纳米传感器和生物材料之间的无缝集成使植物流体的关键参数（如pH值）的轻松测量成为可能，这反过来又使我们能够监测植物健康，”DiSTAP的共同通讯作者，首席研究员，麻省理工学院土木与环境工程副教授Benedetto Marelli教授说。

在最近发表在《Nature Communications》上的一篇题为“Chromatic Covalent Organic Frameworks Enabling In-Vivo Chemical Tomography”的开放获取论文中，DiSTAP的研究人员记录了他们的突破性工作，该工作证明了植物组织中pH值变化的实时检测。值得注意的是，这种方法允许仅使用智能手机相机对植物组织中的pH值进行体内3D测绘，与速度较慢且更具破坏性的传统光学方法相比，它提供了一种微创方法来探索以前无法进入的环境。

DiSTAP的研究人员设计并合成了四种COF化合物，它们展示了可调的酸色——颜色变化与pH值的变化有关——用SF微针涂上一层由这些化合物制成的COF膜。反过来，SF微针和COF膜的透明性使得通过pH敏感颜色的变化可以在体内观察和可视化pH的空间分布。

“基于我们之前对能够感知食物腐败的可生物降解的COF-SF薄膜的研究，我们开发了一种检测植物组织pH值变化的方法。当用于植物时，随着木质部组织pH值的增加，COF化合物将从暗红色转变为红色，这表明植物正在经历干旱胁迫，需要早期干预以防止产量损失，”SMART DiSTAP的研究科学家、共同第一作者Song Wang说。

“SF微针非常坚固，即使在与生物组织接触时也能保持稳定。它们也是透明的，允许以微创的方式进行多维映射。与COF薄膜相结合，农民现在有了一种精确的工具来实时监测植物健康，更好地应对干旱等挑战，提高作物的抗灾能力，”SMART DiSTAP高级博士后、共同第一作者韩阳阳说。

本研究为未来设计和开发基于COF-SF微针的植物层析化学成像技术奠定了基础。在这项研究的基础上，DiSTAP的研究人员将努力推动这项创新技术超越pH检测，重点是传感广泛的生物学相关分析物，如植物激素和代谢物。

Chromatic Covalent Organic Frameworks Enabling In-Vivo Chemical Tomography