Investigadores del grupo DISTAP diseñan sensores para detectar las hormonas vegetales

Investigadores del Tecnologías disruptivas y sostenibles para la precisión agrícola (DiSTAP) grupo de investigación interdisciplinar del Alianza Singapur-MIT para la investigación y la tecnología (SMART), la empresa de investigación del MIT en Singapur, y sus colaboradores locales del Laboratorio de Ciencias de la Vida Temasek (TLL) y la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU), han desarrollado el primer nanosensor para permitir pruebas rápidas de hormonas vegetales de auxina sintética. Los nuevos nanosensores son más seguros y menos tediosos que las técnicas existentes para probar la respuesta de las plantas a compuestos como los herbicidas, y pueden ser transformadores para mejorar la producción agrícola y nuestra comprensión del crecimiento de las plantas.

Los científicos diseñaron sensores para dos hormonas vegetales, ácido 1-naftaleno acético (NAA) y ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D), que se utilizan ampliamente en la industria agrícola para regular el crecimiento de las plantas y como herbicidas, respectivamente. Los métodos actuales para detectar NAA y 2,4-D causan daños a las plantas y no pueden proporcionar información y seguimiento in vivo en tiempo real.

Basados ​​en el concepto de reconocimiento molecular en fase corona (CoPhMoRe) del que fue pionero el Strano Lab en SMART DiSTAP y MIT, los nuevos sensores pueden detectar la presencia de NAA y 2,4-D en plantas vivas a un ritmo rápido. proporcionando información de la planta en tiempo real, sin causar ningún daño. El equipo ha probado con éxito ambos sensores en una serie de cultivos cotidianos, incluidos el pak choi, la espinaca y el arroz en varios medios de siembra, como suelo, cultivo hidropónico y de tejidos vegetales.

Explicado en un documento titulado «Detección de nanosensores de auxinas sintéticas en planta mediante reconocimiento molecular de fase corona”Publicado en la revista ACS Sensors, la investigación puede facilitar un uso más eficiente de auxinas sintéticas en la agricultura y tiene un enorme potencial para avanzar en el estudio de la biología vegetal.

“Nuestra técnica CoPhMoRe se ha utilizado anteriormente para detectar compuestos como el peróxido de hidrógeno y contaminantes de metales pesados ​​como el arsénico, pero este es el primer caso exitoso de sensores CoPhMoRe desarrollados para detectar fitohormonas vegetales que regulan el crecimiento y la fisiología de las plantas, como los aerosoles para prevenir floración prematura y caída de frutos ”, dice el investigador principal co-líder de DiSTAP, Michael Strano, profesor de ingeniería química de Carbon P. Dubbs en el MIT. «Esta tecnología puede reemplazar los métodos de detección de última generación que son laboriosos, destructivos e inseguros».

De los dos sensores desarrollados por el equipo de investigación, el nanosensor 2,4-D también mostró la capacidad de detectar la susceptibilidad a los herbicidas, lo que permitió a los agricultores y científicos agrícolas descubrir rápidamente qué tan vulnerables o resistentes son las diferentes plantas a los herbicidas sin la necesidad de monitorear el cultivo. o el crecimiento de malezas durante días. “Esto podría ser increíblemente beneficioso para revelar el mecanismo detrás de cómo funciona el 2,4-D dentro de las plantas y por qué los cultivos desarrollan resistencia a los herbicidas”, dice DiSTAP y el investigador principal de TLL, Rajani Sarojam.

“Nuestra investigación puede ayudar a la industria a comprender mejor la dinámica del crecimiento de las plantas y tiene el potencial de cambiar completamente la forma en que la industria detecta la resistencia a los herbicidas, eliminando la necesidad de monitorear el crecimiento de cultivos o malezas durante días”, dice Mervin Chun-Yi Ang. un científico investigador en DiSTAP. «Se puede aplicar en una variedad de especies de plantas y medios de siembra, y podría usarse fácilmente en configuraciones comerciales para pruebas rápidas de susceptibilidad a herbicidas, como granjas urbanas».

La profesora de NTU, Mary Chan-Park Bee Eng, dice: “El uso de nanosensores para la detección en planta elimina la necesidad de procesos extensos de extracción y purificación, lo que ahorra tiempo y dinero. También utilizan dispositivos electrónicos de muy bajo costo, lo que los hace fácilmente adaptables para configuraciones comerciales «.

El equipo dice que su investigación puede conducir al desarrollo futuro de nanosensores en tiempo real para otras hormonas y metabolitos vegetales dinámicos también en plantas vivas.

El desarrollo del nanosensor, el sistema de detección óptica y los algoritmos de procesamiento de imágenes para este estudio fue realizado por SMART, NTU y MIT, mientras que TLL validó los nanosensores y proporcionó conocimientos sobre biología vegetal y mecanismos de señalización de plantas. La investigación es realizada por SMART y apoyada por NRF bajo su Campus de Excelencia en Investigación y Empresa Tecnológica (CREAR) programa.

DiSTAP es uno de los cinco grupos de investigación interdisciplinarios de SMART. El programa DiSTAP aborda problemas profundos en la producción de alimentos en Singapur y el mundo mediante el desarrollo de un conjunto de tecnologías analíticas, genéticas y biosintéticas novedosas e impactantes. El objetivo es cambiar fundamentalmente la forma en que las vías biosintéticas de las plantas se descubren, controlan, diseñan y, en última instancia, se traducen para satisfacer la demanda mundial de alimentos y nutrientes.

Científicos del MIT, TTL, NTU y la Universidad Nacional de Singapur (NUS) están desarrollando en colaboración nuevas herramientas para la medición continua de importantes metabolitos y hormonas vegetales para un descubrimiento novedoso, una comprensión y un control más profundos de las vías biosintéticas de las plantas de formas que aún no son posibles, especialmente en el contexto de las hortalizas de hoja verde; aprovechar estas nuevas técnicas para diseñar plantas con propiedades altamente deseables para la seguridad alimentaria mundial, incluida la producción de alta densidad de rendimiento, la sequía y la resistencia a patógenos y la biosíntesis de productos comerciales de alto valor; desarrollar herramientas para producir componentes alimentarios hidrofóbicos en microbios relevantes para la industria; desarrollar nuevas tecnologías microbianas y enzimáticas para producir compuestos orgánicos volátiles que puedan proteger y / o promover el crecimiento de vegetales de hoja; y aplicar estas tecnologías para mejorar la agricultura urbana.

DiSTAP está dirigido por Michael Strano y el investigador principal co-líder de Singapur, el profesor Chua Nam Hai.

SMART fue establecido por MIT, en asociación con NRF, en 2007. SMART, la primera entidad en CREATE, sirve como un centro intelectual y de innovación para interacciones de investigación entre MIT y Singapur, llevando a cabo proyectos de investigación de vanguardia en áreas de interés para ambos. . SMART actualmente comprende un Centro de Innovación y cinco grupos de investigación interdisciplinarios: Resistencia a los antimicrobianos (AMR), Análisis crítico para la fabricación de medicina personalizada (CAMP), DiSTAP, Future Urban Mobility (FM) y Low Energy Electronic Systems (LEES). SMART está financiado por NRF.