MIT-Forscher stellen Nanosensor zur Echtzeit-Eisenüberwachung in Pflanzen vor

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

DiSTAP-Forscher entwickelten Sensoren für die schnelle Eisenerkennung und -überwachung in Pflanzen und ermöglichten so Präzisionslandwirtschaft und nachhaltiges Pflanzenmanagement. (Bild:Mit freundlicher Genehmigung von SMART DiSTAP)

Forscher der interdisziplinären Forschungsgruppe Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), dem Forschungsunternehmen des MIT in Singapur, haben in Zusammenarbeit mit dem Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) und dem MIT einen bahnbrechenden Nahinfrarot-Fluoreszenz-Nanosensor (NIR) entwickelt, der in der Lage ist, Eisenformen – Fe(II) und Fe(III) – in lebenden Pflanzen gleichzeitig zu erkennen und zu unterscheiden.

Eisen ist für die Pflanzengesundheit von entscheidender Bedeutung und unterstützt die Photosynthese, Atmung und Enzymfunktion. Es liegt hauptsächlich in zwei Formen vor:Fe(II), das von Pflanzen leicht aufgenommen und genutzt werden kann, und Fe(III), das zunächst in Fe(II) umgewandelt werden muss, bevor Pflanzen es effektiv nutzen können. Traditionelle Methoden messen nur den Gesamteisengehalt und vernachlässigen die Unterscheidung zwischen diesen Formen – einem Schlüsselfaktor in der Pflanzenernährung. Die Unterscheidung zwischen Fe(II) und Fe(III) liefert Einblicke in die Effizienz der Eisenaufnahme, hilft bei der Diagnose von Mängeln oder Toxizitäten und ermöglicht präzise Düngestrategien in der Landwirtschaft, wodurch Abfall und Umweltbelastung reduziert und gleichzeitig die Pflanzenproduktivität verbessert wird.

Der von SMART-Forschern entwickelte, einzigartige Nanosensor ermöglicht eine zerstörungsfreie Echtzeitüberwachung der Eisenaufnahme, des Eisentransports und der Veränderungen zwischen seinen verschiedenen Formen und ermöglicht so präzise und detaillierte Beobachtungen der Eisendynamik. Seine hohe räumliche Auflösung ermöglicht die präzise Lokalisierung von Eisen in Pflanzengeweben oder subzellulären Kompartimenten und ermöglicht so die Messung selbst kleinster Veränderungen des Eisenspiegels in Pflanzen – Veränderungen, die Aufschluss darüber geben können, wie eine Pflanze mit Stress umgeht und Nährstoffe nutzt.

Herkömmliche Nachweismethoden sind entweder destruktiv oder auf eine einzelne Eisenform beschränkt. Diese neue Technologie ermöglicht die Diagnose von Mängeln und die Optimierung von Befruchtungsstrategien. Durch die Feststellung einer unzureichenden oder übermäßigen Eisenaufnahme können Anpassungen vorgenommen werden, um die Pflanzengesundheit zu verbessern, Abfall zu reduzieren und eine nachhaltigere Landwirtschaft zu unterstützen. Obwohl der Nanosensor an Spinat und Pak Choi getestet wurde, ist er artunabhängig und kann daher ohne genetische Veränderung auf eine Vielzahl von Pflanzenarten angewendet werden. Diese Fähigkeit erweitert unser Verständnis der Eisendynamik in verschiedenen ökologischen Umgebungen und liefert umfassende Einblicke in die Pflanzengesundheit und das Nährstoffmanagement. Dadurch dient es als wertvolles Werkzeug sowohl für die grundlegende Pflanzenforschung als auch für landwirtschaftliche Anwendungen und unterstützt ein präzises Nährstoffmanagement, reduziert Düngemittelverschwendung und verbessert die Pflanzengesundheit.

„Eisen ist für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen unerlässlich, aber die Überwachung seines Gehalts 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 hochauflösender Echtzeit-Bildgebung erkennt. Mit dieser Technologie können wir sicherstellen, dass Pflanzen die richtige Menge Eisen erhalten, was die Gesundheit der Pflanzen und die Nachhaltigkeit der Landwirtschaft verbessert“, sagte Duc Thinh Khong, DiSTAP-Forschungswissenschaftler und Co-Hauptautor des Papiers.

„Indem dieser Sensor die zerstörungsfreie Echtzeitverfolgung der Eisenspeziation in Pflanzen ermöglicht, eröffnet dieser Sensor neue Wege zum Verständnis des pflanzlichen Eisenstoffwechsels und der Auswirkungen verschiedener Eisenvariationen auf Pflanzen. Dieses Wissen wird dazu beitragen, die Entwicklung maßgeschneiderter Managementansätze zur Verbesserung des Ernteertrags und kostengünstigerer Bodendüngungsstrategien zu entwickeln“, sagte Grace Tan, TLL-Forscherin und Mitautorin des Papiers.

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 der Nanobionik von Pflanzen auf und nutzt die Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe)-Plattform, die vom Strano Lab bei SMART DiSTAP und MIT entwickelt wurde. Der neue Nanosensor besteht aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs), die in ein negativ geladenes fluoreszierendes Polymer eingewickelt sind und eine helikale Koronaphasenstruktur bilden, die unterschiedlich mit Fe(II) und Fe(III) interagiert. Beim Einbringen in Pflanzengewebe und bei der Interaktion mit Eisen sendet der Sensor je nach Eisentyp unterschiedliche NIR-Fluoreszenzsignale aus und ermöglicht so die Echtzeitverfolgung von Eisenbewegungen und chemischen Veränderungen.

Die CoPhMoRe-Technik wurde verwendet, um hochselektive Fluoreszenzreaktionen zu entwickeln, die eine präzise Erkennung der Eisenoxidationszustände ermöglichen. Die NIR-Fluoreszenz von SWNTs bietet eine überlegene Empfindlichkeit, Selektivität und Gewebetransparenz bei gleichzeitiger Minimierung von Interferenzen und ist damit effektiver als herkömmliche Fluoreszenzsensoren. Diese Funktion ermöglicht es Forschern, Eisenbewegungen und chemische Veränderungen mithilfe der NIR-Bildgebung in Echtzeit zu verfolgen.

„Dieser Sensor stellt ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung des Pflanzenstoffwechsels, des Nährstofftransports und der Stressreaktionen dar. Er unterstützt einen optimierten Düngemitteleinsatz, reduziert Kosten und Umweltbelastungen und trägt zu nährstoffreicheren Pflanzen, besserer Ernährungssicherheit und nachhaltigen landwirtschaftlichen Praktiken bei“, sagte Professor Daisuke Urano, leitender Hauptforscher am TLL, Hauptforscher am DiSTAP, außerordentlicher Assistenzprofessor an der National University of Singapore und Mitautor des Papiers.

„Diese Reihe von Sensoren verschafft uns Zugang zu einer wichtigen Art von Signalen in Pflanzen und zu einem kritischen Nährstoff, den Pflanzen zur Herstellung von Chlorophyll benötigen. Dieses neue Tool wird Landwirten nicht nur dabei helfen, Nährstoffmangel zu erkennen, sondern auch Zugang zu bestimmten Botschaften innerhalb der Pflanze geben. Es erweitert unsere Fähigkeit, die Reaktion der Pflanze auf ihre Wachstumsumgebung zu verstehen“, sagte Professor Michael Strano, Co-Leiter des DiSTAP-Forschers, Carbon P. Dubbs-Professor für Chemieingenieurwesen am MIT und Mitautor des Buches Papier.

Über die Landwirtschaft hinaus ist dieser Nanosensor vielversprechend für die Umweltüberwachung, Lebensmittelsicherheit und Gesundheitswissenschaften, insbesondere für die Untersuchung des Eisenstoffwechsels, Eisenmangels und eisenbedingter Krankheiten bei Menschen und Tieren. Zukünftige Forschung wird sich auf die Nutzung dieses Nanosensors konzentrieren, um grundlegende Pflanzenstudien zur Eisenhomöostase, Nährstoffsignalisierung und Redoxdynamik voranzutreiben. Darüber hinaus gibt es Bestrebungen, den Nanosensor in automatisierte Nährstoffmanagementsysteme für die hydroponische und bodenbasierte Landwirtschaft zu integrieren und seine Funktionalität zur Erkennung anderer essentieller Mikronährstoffe zu erweitern. Diese Fortschritte zielen darauf ab, Nachhaltigkeit, Präzision und Effizienz in der Landwirtschaft zu verbessern.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Clement Foo unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.