植物激素检测新突破：基因工程菌打造高效生物传感器

首页今日动态人才市场新技术专栏中国科学人云展台
BioHot
云讲堂直播会展中心特价专栏技术快讯免费试用

生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏

生物通首页 > 今日动态 > 正文

【字体：大中小】 时间：2025年02月26日 来源：BMC Bioinformatics 2.9

编辑推荐：

　　为解决植物激素检测难题，研究人员利用基因工程菌（GEB）开展检测脱落酸（ABA）研究，成果对农业意义重大。

　　在植物的生长过程中，它们时刻面临着各种各样的 “压力”，像是炎热的高温、冰冷的低温、干旱少雨的环境，还有病原体的侵害等等。为了应对这些挑战，植物会产生一些特殊的 “信号兵”—— 激素，其中脱落酸（ABA）在植物应对压力和生长调节方面起着至关重要的作用。比如说，当植物遭遇干旱时，ABA 会让植物的气孔关闭，减少水分的散失，帮助植物度过难关。

然而，想要精准地了解植物激素在应对压力时的变化，以及它们在植物体内的运输情况，可不是一件容易的事。目前的检测方法存在不少问题，像表面增强拉曼光谱（SERS）、激光诱导击穿光谱（LIBS）等技术，虽然在一定程度上能够检测植物激素，但它们要么选择性不够好，无法在特定的植物组织和发育阶段准确识别特定激素；要么需要特殊的控制系统，不仅耗电量大，操作起来还很繁琐。还有一些基于荧光的检测方法，容易受到光漂白的影响，稳定性和扩展性都不太理想。

为了攻克这些难题，研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们利用基因工程菌（GEB），试图打造出一种全新的农业生物传感器，来更有效地检测植物激素 ABA。

研究人员以水培番茄植株为模型，借助 MATLAB 模拟技术，详细研究了基因工程改造的大肠杆菌（E. coli）在植物体内的运动情况。他们模拟了细菌在植物根部细胞壁的扩散、在茎中的运输、在叶片中的趋化行为以及传感器对 ABA 的响应时间等多个过程。

在设计生物传感器时，研究人员对大肠杆菌进行了基因改造，让它能够表达一种对 ABA 有特殊亲和力的蛋白质，并且通过群体感应机制激活荧光素分子，使细菌在检测到 ABA 时能够发出生物荧光信号。在这个过程中，质粒发挥了重要作用，它就像是一辆 “运输车”，将负责 ABA 受体和荧光素酶的基因运送到大肠杆菌中。

在研究过程中，他们发现了许多有趣的现象。首先，在细菌扩散进入植物根部的模拟实验中，研究人员发现基因工程大肠杆菌 - PYR1 通过植物根部区域（2μm2）的平均内化时间约为 1220.12 秒。而且，温度对细菌的扩散也有影响，温度越高，细菌的浓度似乎也越高。

其次，在研究对流对细菌在植物茎中扩散的影响时，他们发现对流能够显著促进细菌的下游运动和扩散。当存在对流时，大肠杆菌的速度可以达到 21.65μm/s，而在没有对流的情况下，速度仅为 0.866μm/s。这就好比水流能够推动小船更快地前进一样，对流让细菌在植物茎中的传播更加迅速。

再者，在模拟叶片中吸引剂的扩散和细菌的趋化行为时，研究人员发现细菌会根据吸引剂浓度的梯度来调整自己的运动。在 “翻滚” 阶段，细菌会随机运动；而在 “奔跑” 阶段，细菌会朝着吸引剂浓度增加的方向运动。经过 2 秒后，吸引剂在 1mol/m3 时浓度最高，此时大肠杆菌移动的绝对距离为 10μm。

最后，关于传感器的响应时间，模拟结果显示，该生物传感器检测 ABA 的平均总时间为 431.52 秒。而且，ABA 浓度越高，响应时间越短。这意味着在实际应用中，当植物受到压力，ABA 浓度升高时，传感器能够更快地检测到信号。

这些研究结果表明，利用基因工程菌构建的生物传感器在检测植物激素 ABA 方面具有很大的潜力。它可以在多种压力条件下，如干旱和病原体侵袭时，快速检测到 ABA 的变化。这对于农业生产来说意义非凡，农民可以通过这种传感器及时了解植物的健康状况，提前采取措施应对干旱等灾害，合理安排灌溉，从而减少农作物的损失，提高农业生产的效率和可持续性。该研究成果发表在《BMC Bioinformatics》期刊上。

研究人员在开展研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：一是基因工程技术，通过对大肠杆菌进行基因改造，使其具备检测 ABA 的能力；二是 MATLAB 模拟技术，模拟细菌在植物体内的运动和传感器的响应过程；三是数学建模，利用偏微分方程（PDE）、常微分方程（ODEs）以及希尔方程（Hill equation）等对生物过程进行建模分析。

研究结论和讨论部分进一步强调了该研究的重要意义。这种生物传感器不仅响应速度快，而且能够有效克服传统检测方法的局限性。未来，研究人员还计划将深度学习和人工智能技术融入生物传感器的设计中，进一步优化传感器的性能，使其能够更好地适应复杂的环境变化，实现多分析物检测。同时，通过与物联网平台的集成，有望为智能农业提供更精准的决策依据，推动农业向智能化、精准化方向发展。这一研究成果为农业生物传感器技术开辟了新的道路，为提高农作物的抗逆性和产量提供了新的可能性。

热点排行

新闻专题

联系信箱：

粤ICP备09063491号