MIT-Forscher präsentieren Nanosensor für Echtzeit-Eisen-Monitoring in Pflanzen

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

DiSTAP-Forscher entwickelten Sensoren für schnelle Eisenerkennung und -monitoring in Pflanzen, was Präzisionslandwirtschaft und nachhaltiges Kulturmanagement ermöglicht.

Durchbruch in der Pflanzenernährung

Forscher der Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) interdisziplinären Forschungsgruppe der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), MITs Forschungsunternehmen in Singapur, in Zusammenarbeit mit dem Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) und MIT, haben einen bahnbrechenden Nahinfrarot (NIR)-fluoreszierenden Nanosensor entwickelt, der simultan zwei Eisenformen – Fe(II) und Fe(III) – in lebenden Pflanzen detektieren und unterscheiden kann.

Eisen: Kritisch für Pflanzengesundheit

Eisen ist entscheidend für Pflanzengesundheit, unterstützt Photosynthese, Atmung und Enzymfunktion. Es existiert primär in zwei Formen: Fe(II), das für Pflanzen sofort verfügbar ist, und Fe(III), das erst in Fe(II) umgewandelt werden muss, bevor Pflanzen es effektiv nutzen können. Traditionelle Methoden messen nur das Gesamteisen und verpassen die Unterscheidung zwischen diesen Formen – ein Schlüsselfaktor in der Pflanzenernährung. Die Differenzierung zwischen Fe(II) und Fe(III) liefert Einblicke in die Eisenaufnahmeeffizienz, hilft bei der Diagnose von Mangelerscheinungen oder Toxizitäten und ermöglicht präzise Düngestrategien in der Landwirtschaft, was Abfall und Umweltbelastung reduziert und die Ernteproduktivität verbessert.

Echtzeit-, nicht-destruktives Monitoring

Der erstmalig entwickelte Nanosensor von SMART-Forschern ermöglicht Echtzeit-, nicht-destruktives Monitoring der Eisenaufnahme, des Transports und der Veränderungen zwischen den verschiedenen Formen – und liefert präzise, detaillierte Beobachtungen der Eisendynamik. Seine hohe räumliche Auflösung erlaubt die präzise Lokalisierung von Eisen in Pflanzengeweben oder subzellulären Kompartimenten, was die Messung winziger Veränderungen im Eisenspiegel innerhalb der Pflanzen ermöglicht – Veränderungen, die Aufschluss darüber geben, wie eine Pflanze Stress bewältigt und Nährstoffe nutzt.

Traditionelle Detektionsmethoden sind entweder destruktiv oder auf eine einzige Eisenform beschränkt. Diese neue Technologie ermöglicht die Diagnose von Mangelerscheinungen und die Optimierung von Düngestrategien. Durch Identifikation unzureichender oder übermäßiger Eisenaufnahme können Anpassungen vorgenommen werden, um Pflanzengesundheit zu verbessern, Abfall zu reduzieren und nachhaltigere Landwirtschaft zu unterstützen. Während der Nanosensor an Spinat und Pak Choi getestet wurde, ist er artsunabhängig und kann auf eine Vielzahl von Pflanzenarten ohne genetische Modifikation angewendet werden. Diese Fähigkeit verbessert unser Verständnis der Eisendynamik in verschiedenen ökologischen Umgebungen und liefert umfassende Einblicke in Pflanzengesundheit und Nährstoffmanagement. Damit dient er als wertvolles Werkzeug sowohl für die grundlegende Pflanzenforschung als auch für landwirtschaftliche Anwendungen, unterstützt präzises Nährstoffmanagement, reduziert Düngemittelabfall und verbessert die Pflanzengesundheit.

„Eisen ist essenziell für Pflanzenwachstum und -entwicklung, aber die Überwachung seiner Spiegel in Pflanzen war eine Herausforderung. Dieser bahnbrechende Sensor ist der erste seiner Art, der sowohl Fe(II) als auch Fe(III) in lebenden Pflanzen mit Echtzeit-Bildgebung in hoher Auflösung detektiert. Mit dieser Technologie können wir sicherstellen, dass Pflanzen die richtige Menge Eisen erhalten, was die Pflanzengesundheit und landwirtschaftliche Nachhaltigkeit verbessert“, sagt Duc Thinh Khong, DiSTAP-Forschungswissenschaftler und Co-Lead-Autor der Publikation.

„Indem der Sensor nicht-destruktives Echtzeit-Tracking der Eisenspezies in Pflanzen ermöglicht, eröffnet er neue Wege zum Verständnis des pflanzlichen Eisenstoffwechsels und der Implikationen verschiedener Eisenvariationen für Pflanzen. Solches Wissen wird helfen, maßgeschneiderte Managementansätze zur Verbesserung der Ernteerträge und kosteneffizienterer Bodendüngestrategien zu entwickeln“, sagt Grace Tan, TLL-Forschungswissenschaftlerin und Co-Lead-Autorin.

Technologische Grundlage: CoPhMoRe-Plattform

Die kürzlich in Nano Letters veröffentlichte Forschung mit dem Titel „Nanosensor for Fe(II) and Fe(III) Allowing Spatiotemporal Sensing in Planta“ baut auf der etablierten Expertise von SMART DiSTAP in Pflanzen-Nanobionik auf und nutzt die Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe)-Plattform, die vom Strano Lab an SMART DiSTAP und MIT pioniert wurde. Der neue Nanosensor besteht aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs), umhüllt von einem negativ geladenen fluoreszierenden Polymer, das eine helikale Korona-Phasenstruktur bildet, die unterschiedlich mit Fe(II) und Fe(III) interagiert. Bei Einführung in Pflanzengewebe und Interaktion mit Eisen emittiert der Sensor distinkte NIR-Fluoreszenzsignale basierend auf dem Eisentyp, was Echtzeit-Tracking der Eisenbewegung und chemischen Veränderungen ermöglicht.

Die CoPhMoRe-Technik wurde verwendet, um hochselektive fluoreszierende Reaktionen zu entwickeln, die präzise Detektion der Eisenoxidationszustände erlauben. Die NIR-Fluoreszenz von SWNTs bietet überlegene Sensitivität, Selektivität und Gewebetransparenz bei minimierter Interferenz, was sie effektiver macht als konventionelle fluoreszierende Sensoren. Diese Fähigkeit ermöglicht Forschern, Eisenbewegung und chemische Veränderungen in Echtzeit mittels NIR-Bildgebung zu verfolgen.

„Dieser Sensor bietet ein mächtiges Werkzeug zum Studium von Pflanzenstoffwechsel, Nährstofftransport und Stressreaktionen. Er unterstützt optimierten Düngemitteleinsatz, reduziert Kosten und Umweltbelastung und trägt zu nährstoffreicheren Pflanzen, besserer Ernährungssicherheit und nachhaltigen Anbaupraktiken bei“, sagt Professor Daisuke Urano, TLL Senior Principal Investigator, DiSTAP Principal Investigator, NUS Adjunct Assistant Professor und Co-Korrespondenzautor.

„Dieser Sensorsatz gibt uns Zugang zu einer wichtigen Signalart in Pflanzen und einem kritischen Nährstoff, der für die Chlorophyllbildung notwendig ist. Dieses neue Werkzeug wird nicht nur Landwirten helfen, Nährstoffmangel zu detektieren, sondern auch Zugang zu bestimmten Botschaften innerhalb der Pflanze geben. Es erweitert unsere Fähigkeit, die Pflanzenreaktion auf ihre Wachstumsumgebung zu verstehen“, sagt Professor Michael Strano, DiSTAP Co-Lead Principal Investigator, Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering an MIT und Co-Korrespondenzautor.

Anwendungen jenseits der Landwirtschaft

Jenseits der Landwirtschaft birgt dieser Nanosensor Potenzial für Umweltmonitoring, Lebensmittelsicherheit und Gesundheitswissenschaften, insbesondere bei der Untersuchung von Eisenstoffwechsel, Eisenmangel und eisenbezogenen Krankheiten bei Mensch und Tier. Zukünftige Forschung wird sich darauf konzentrieren, diesen Nanosensor für grundlegende Pflanzenstudien zu Eisenhomöostase, Nährstoffsignalisierung und Redoxdynamik zu nutzen. Auch die Integration in automatisierte Nährstoffmanagementsysteme für Hydroponik und bodenbasierten Anbau sowie die Erweiterung der Funktionalität zur Detektion anderer essenzieller Mikronährstoffe sind in Arbeit. Diese Fortschritte zielen darauf ab, Nachhaltigkeit, Präzision und Effizienz in der Landwirtschaft zu steigern.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie Clement Foo unter clement.foo@smart.mit.edu.