Las giberelinas (GA) son una familia de fitohormonas que son esenciales para planta pero son difíciles de reconocer debido a sus estructuras químicas idénticas. Los investigadores del MIT construyen y fabrican nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) envueltos en polímeros con distintas fases de corona que se unen preferentemente a los GA bioactivos, GA3 y GA4, lo que provoca variaciones en la intensidad de la fluorescencia en el infrarrojo cercano (NIR).
El programa Tecnologías Disruptivas y Sostenibles para la Precisión Agrícola (DiSTAP) tiene como objetivo cambiar la forma en que se descubren, monitorean, diseñan y traducen las vías biosintéticas de las plantas para satisfacer la demanda mundial de alimento y nutrientes Los científicos del MIT, el Laboratorio de Ciencias de la Vida Temasek, la NTU y la NUS están colaborando para desarrollar nuevas herramientas para medir continuamente metabolitos y hormonas vegetales importantes.
Los investigadores de DiSTAP han desarrollado el primer nanosensor para detectar y distinguir giberelinas (GA). A diferencia de los métodos de recolección convencionales, los nanosensores no son destructivos y se han probado con éxito en plantas vivas. Podrían ser transformadores para agricultura y planta biotecnologíabrindando a los agricultores una herramienta valiosa para optimizar el rendimiento.
Los investigadores diseñaron fluorescentes de infrarrojo cercano carbón Sensores de nanotubos para detectar y distinguir dos hormonas vegetales, GA3 y GA4. Estas hormonas son fitohormonas diterpenoides producidas por las plantas y se cree que desempeñaron un papel en la “revolución verde” de la década de 1960, que evitó la hambruna y salvó vidas. El estudio adicional de las giberelinas podría conducir a otros avances en la ciencia agrícola y tener implicaciones para la seguridad alimentaria.
El cambio climático, el calentamiento global y el aumento del nivel del mar hacen que aumente la salinidad del suelo, regulando negativamente la biosíntesis de GA y promoviendo el metabolismo de GA. Los nuevos nanosensores creados por investigadores de SMART permiten el estudio de la dinámica de GA en plantas vivas bajo estrés salino en una etapa temprana, lo que permite a los agricultores realizar intervenciones tempranas cuando se usan en el campo.
El concepto CoPhMoRe presentado por el profesor del MIT Michael Strano ha permitido el desarrollo de nuevos sensores que detectan la cinética de GA en las raíces de especies de plantas modelo y no modelo, así como la acumulación de GA durante la emergencia de raíces laterales. Esto fue posible gracias al desarrollo de un nuevo fluorímetro Raman/infrarrojo cercano acoplado que permite la autorreferencia de la fluorescencia del infrarrojo cercano del nanosensor con su banda G Raman.
El GA reversible nanosensores detectó mayores niveles endógenos de GA en plantas mutantes que producían cantidades más significativas de GA20ox1, así como niveles reducidos de GA en plantas bajo estrés por salinidad. Cuando se expuso al estrés por salinidad, el crecimiento de la lechuga se atrofió severamente y redujo los niveles de GA después de solo seis horas, lo que demuestra su eficacia como indicador del estrés por salinidad después de diez días.
Strano, el Profesor Carbon P. Dubbs de Ingeniería Química en MIT co-autor correspondiente e investigador principal co-líder de DiSTAP, dicho, “Nuestra técnica CoPhMoRe nos permite crear nanopartículas que actúan como anticuerpos naturales en el sentido de que pueden reconocer y unirse a moléculas específicas. Pero tienden a ser mucho más estables que las alternativas. Hemos utilizado este método para crear con éxito nanosensores para señales de plantas como el peróxido de hidrógeno y contaminantes de metales pesados como el arsénico en las plantas y el suelo. El método funciona para crear sensores para moléculas orgánicas como la auxina sintética, una hormona vegetal importante, como se muestra. Este último avance ahora extiende este éxito a una familia de hormonas vegetales llamadas giberelinas, una extremadamente difícil de reconocer”.
Él añade: “La tecnología resultante ofrece un método rápido, en tiempo real e in vivo para monitorear los cambios en los niveles de GA en prácticamente cualquier planta, y puede reemplazar los métodos de detección actuales que son laboriosos, destructivos, específicos de especies y mucho menos eficientes”.
Mervin Chun-Yi Ang, director científico asociado de DiSTAP y coautor del artículo, dice: “Más que un simple avance en la detección del estrés de las plantas, también hemos demostrado una innovación de hardware en la forma de un nuevo fluorímetro acoplado Raman/NIR que permitió la autorreferencia de la fluorescencia del sensor SWNT con su banda G Raman, lo que representa un gran avance en la traducción de nuestros conjuntos de herramientas de nanodetección al campo. En un futuro cercano, nuestros sensores se pueden combinar con dispositivos electrónicos de bajo costo, optodos portátiles o interfaces de microagujas para uso industrial, transformando la forma en que la industria detecta y mitiga el estrés de las plantas en los cultivos alimentarios y mejorando potencialmente el crecimiento y el rendimiento”.
El nuevo sensores aún podría tener una variedad de aplicaciones industriales y casos de uso. Daisuke Urano, investigador principal del Laboratorio de Ciencias de la Vida de Temasek, profesor asistente adjunto de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) y coautor correspondiente del artículo, explica: “Se sabe que los GA regulan una amplia gama de procesos de desarrollo de las plantas, desde el desarrollo de brotes, raíces y flores, hasta la germinación de semillas y las respuestas al estrés de las plantas. Con la comercialización de los GA, estas hormonas vegetales también se venden a los cultivadores y agricultores como reguladores del crecimiento de las plantas para promover el crecimiento de las plantas y la germinación de las semillas. Nuestros novedosos nanosensores GA podrían aplicarse en el campo para monitorear el estrés de las plantas en etapas tempranas y también podrían ser utilizados por productores y agricultores para rastrear la absorción o el metabolismo de GA en sus cultivos”.
SMART y el MIT realizaron el diseño y desarrollo de nanosensores, la creación y validación del fluorímetro Raman/infrarrojo cercano acoplado y el análisis estadístico de sensores de plantas para este estudio. El Laboratorio de Ciencias de la Vida de Temasek fue responsable del diseño, la ejecución y el análisis de los estudios relacionados con las plantas.
Referencia de la revista:
- Mervin Chun-Yi Ang, Michael S. Strano et al.Sensores de nanotubos de carbono fluorescentes de infrarrojo cercano para las giberelinas de la familia de hormonas vegetales. Nano letras.DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04128
