Landwirte und Gartenliebhaber stehen oft vor einem Dilemma: Woher wissen Sie, ob ihre Pflanzen unter Dürre leiden, bevor die physischen Anzeichen offensichtlich sind? Diese Frage wirft Fragen zum Wassermanagement in der Landwirtschaft auf, einem Bereich, in dem Präzision unerlässlich ist, um Ertragsverluste zu vermeiden. Eine neue Erkennungsmethode könnte bahnbrechend sein.
Die Frage, ob einer Pflanze Wasser fehlt oder nicht, ist für Landwirte seit jeher eine große Herausforderung. Dank der Forschung der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) bietet sich eine innovative Lösung an.
Seit einem Jahrzehnt arbeiten Forscher an der Entwicklung von Sensoren, die verschiedene chemische Verbindungen erkennen können. Die Anpassung dieser Sensoren an den Einsatz in lebenden biologischen Systemen wie Pflanzen hat sich jedoch als schwierig erwiesen. Neue Fortschritte von SMART erlauben kann nun pH-Schwankungen in lebenden Pflanzen erkennen, ein frühes Anzeichen für Wasserstress.
Zukunftsweisende Technologie: COF-Sensoren
Forscher der interdisziplinären DiSTAP-Gruppe von SMART haben in Zusammenarbeit mit dem Temasek Life Sciences Laboratory und dem MIT die ersten COF-Sensoren (Covalent Organic Framework) entwickelt, die in Mikronadeln aus Seidenfibroin (SF) integriert sind. Diese Sensoren ermöglichen die Erkennung physiologischer pH-Änderungen in der Pflanze. Sie ermöglichen es, einen Abfall des Säuregehalts im Xylemgewebe von Pflanzen zu erkennen und so bis zu 48 Stunden vor herkömmlichen Methoden auf den Beginn von Wasserstress aufmerksam zu machen.
Wassermangel beeinträchtigt den Pflanzenstoffwechsel erheblich, verringert die Blattgröße, das Stängelwachstum und die Wurzelvermehrung, was zu geringeren Erträgen führt. Wenn dieser Zustand anhält, können die Pflanzen vergilben, welken und schließlich absterben.
Die Auswirkungen auf die Landwirtschaft
Angesichts der wachsenden Herausforderungen des Klimawandels, der steigenden Kosten und des Platzmangels fällt es Landwirten schwer, proaktiv einzugreifen oder Probleme zu diagnostizieren, bevor Symptome sichtbar werden. Integration solcher Sensoren in landwirtschaftliche Praktiken wird eine Notwendigkeit für In-vivo-Bewertungen und rechtzeitige Interventionen.
« Dieser Sensortyp kann einfach an der Anlage angebracht und mit einfacher Instrumentierung abgefragt werden. Dadurch gelangen leistungsstarke Analysen, wie die Tools, die wir innerhalb von DiSTAP entwickeln, direkt in die Hände von Landwirten und Forschern. sagte Professor Michael Strano, Mitautor, Co-Hauptleiter von DiSTAP und Carbon P. Dubbs Professor für Chemieingenieurwesen am MIT.
Die Entwicklung und der Betrieb von COF-Sensoren
COF-Sensoren stellen einen bedeutenden Durchbruch dar, da sie bisher nicht in der Lage waren, mit biologischen Geweben zu interagieren. Diese organischen Gerüste bestehen aus Netzwerken organischer Moleküle oder Polymere, die Kohlenstoffatome enthalten, die an Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff oder Stickstoff gebunden sind und Kristallstrukturen bilden, die je nach pH-Wert ihre Farbe ändern. Diese Eigenschaft erlauben Früherkennung von Wasserstress durch Echtzeitmessung des pH-Werts im Xylemgewebe.
« COF-Seidensensoren sind ein Beispiel für neue Werkzeuge, die erforderlich sind, um die Landwirtschaft angesichts der Notwendigkeit, die globale Ernährungssicherheit angesichts der durch den Klimawandel, begrenzte Ressourcen und die Notwendigkeit, den CO2-Fußabdruck zu reduzieren, auferlegten Einschränkungen zu erhöhen, präziser zu gestalten. Die nahtlose Integration zwischen Nanosensoren und Biomaterialien ermöglicht die mühelose Messung wichtiger Parameter von Pflanzenflüssigkeiten wie dem pH-Wert und ermöglicht so die Überwachung der Pflanzengesundheit erklärte Professor Benedetto Marelli, Mitautor, Hauptforscher bei DiSTAP und außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen am MIT.
Zukünftige Anwendungen
In einem Open-Access-Artikel mit dem Titel „ Chromatische kovalente organische Gerüste ermöglichen die chemische In-vivo-Tomographie », kürzlich in Nature Communications veröffentlicht, dokumentieren DiSTAP-Forscher ihre innovative Arbeit. Sie zeigen, wie diese Methode eine In-vivo-3D-Kartierung des pH-Werts in Pflanzengeweben mit nur einer Smartphone-Kamera ermöglicht und damit im Vergleich zu herkömmlichen optischen Methoden einen minimalinvasiven Ansatz darstellt.
Vier COF-Verbindungen wurden entworfen und synthetisiert, um einen abstimmbaren Säurechromismus – Farbveränderungen im Zusammenhang mit pH-Schwankungen – zu zeigen, wobei SF-Mikronadeln mit einer COF-Filmschicht beschichtet waren. Die Transparenz von Mikronadeln und COF-Film erlauben In-vivo-Beobachtung und Visualisierung räumlicher pH-Verteilungen durch pH-empfindliche Farbänderungen.
« Aufbauend auf unserer früheren Arbeit mit biologisch abbaubaren COF-SF-Folien, die den Verderb von Lebensmitteln erkennen können, haben wir eine Methode zur Erkennung von pH-Änderungen in Pflanzengeweben entwickelt. Bei der Anwendung auf Pflanzen ändern sich die COF-Verbindungen von dunkelrot zu rot, wenn der pH-Wert im Xylemgewebe ansteigt, was darauf hinweist, dass Pflanzen unter Wasserstress leiden und ein frühzeitiges Eingreifen erforderlich ist, um Ertragsverluste zu vermeiden sagte Song Wang, Forschungswissenschaftler bei SMART DiSTAP und Co-Erstautor.
« SF-Mikronadeln sind robust und können so gestaltet werden, dass sie auch beim Kontakt mit biologischem Gewebe stabil bleiben. Sie sind außerdem transparent und ermöglichen eine mehrdimensionale Kartierung auf minimalinvasive Weise. In Kombination mit COF-Filmen verfügen Landwirte nun über ein Präzisionsinstrument, mit dem sie die Pflanzengesundheit in Echtzeit überwachen und besser auf Herausforderungen wie Dürre reagieren und die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen verbessern können fügte Yangyang Han hinzu, leitender Postdoktorand bei SMART DiSTAP und Co-Erstautor.
Diese Studie legt den Grundstein für zukünftige Entwicklungen in der COF-SF-Mikronadel-basierten tomographischen chemischen Bildgebung von Pflanzen mit COF-Sensoren. DiSTAP-Forscher planen, diese Technologie über die pH-Messung hinaus zu erweitern und sich auf den Nachweis einer breiten Palette biologisch relevanter Analyten wie Pflanzenhormone und Metaboliten zu konzentrieren.
Bildunterschrift: PH-empfindliche Chromsensorpulver, die auf einem kovalenten organischen Gerüst (COF) basieren und von SMART DiSTAP-Forschern entwickelt wurden, zeigen visuelle Farbveränderungen bei der Früherkennung von Hitzestress. Bildnachweis: Smart
Artikel: „Chromatische kovalente organische Gerüste ermöglichen die chemische In-vivo-Tomographie“ – DOI: s41467-024-53532-7
Source : MIT
