p Os engenheiros do MIT desenvolveram uma maneira de acompanhar de perto como as plantas respondem a estresses, como ferimentos, infecção, e danos leves, usando sensores feitos de nanotubos de carbono. Esses sensores podem ser embutidos nas folhas das plantas, onde eles relatam ondas de sinalização de peróxido de hidrogênio. p As plantas usam peróxido de hidrogênio para se comunicar dentro de suas folhas, enviando um sinal de socorro que estimula as células da folha a produzir compostos que as ajudarão a reparar danos ou afastar predadores como insetos. Os novos sensores podem usar esses sinais de peróxido de hidrogênio para distinguir entre diferentes tipos de estresse, bem como entre diferentes espécies de plantas.

p “As plantas têm uma forma de comunicação interna muito sofisticada, que agora podemos observar pela primeira vez. Isso significa que em tempo real, podemos ver a resposta de uma planta viva, comunicando o tipo específico de estresse que está experimentando, "diz Michael Strano, o Carbon P. Dubbs Professor de Engenharia Química no MIT.

p Este tipo de sensor pode ser usado para estudar como as plantas respondem a diferentes tipos de estresse, potencialmente ajudando cientistas agrícolas a desenvolver novas estratégias para melhorar o rendimento das safras. Os pesquisadores demonstraram sua abordagem em oito espécies de plantas diferentes, incluindo espinafre, plantas de morango, e rúcula, e eles acreditam que poderia funcionar em muitos mais.

p Strano é o autor sênior do estudo, que aparece hoje em Plantas Naturais . O estudante de graduação do MIT Tedrick Thomas Salim Lew é o principal autor do artigo.

p Sensores embutidos

p Nos últimos anos, O laboratório de Strano tem explorado o potencial para a engenharia de "plantas nanobiônicas" - plantas que incorporam nanomateriais que dão às plantas novas funções, como a emissão de luz ou detecção de escassez de água. No novo estudo, ele começou a incorporar sensores que relatariam o estado de saúde das plantas.

p Strano já havia desenvolvido sensores de nanotubos de carbono que podem detectar várias moléculas, incluindo peróxido de hidrogênio. Cerca de três anos atrás, Lew começou a tentar incorporar esses sensores nas folhas das plantas. Estudos em Arabidopsis thaliana, frequentemente usado para estudos moleculares de plantas, sugeriu que as plantas podem usar peróxido de hidrogênio como uma molécula de sinalização, mas seu papel exato não era claro.

p Lew usou um método chamado penetração do envelope de troca lipídica (LEEP) para incorporar os sensores nas folhas das plantas. LEEP, que o laboratório de Strano desenvolveu há vários anos, permite o projeto de nanopartículas que podem penetrar nas membranas das células vegetais. Como Lew estava trabalhando na incorporação dos sensores de nanotubo de carbono, ele fez uma descoberta fortuita.

p "Estava treinando para me familiarizar com a técnica, e no processo de treinamento eu acidentalmente causei um ferimento na planta. Então eu vi essa evolução do sinal de peróxido de hidrogênio, " ele diz.

p Ele viu que depois que uma folha foi ferida, o peróxido de hidrogênio foi liberado do local da ferida e gerou uma onda que se espalhou ao longo da folha, semelhante à maneira como os neurônios transmitem impulsos elétricos em nossos cérebros. À medida que uma célula vegetal libera peróxido de hidrogênio, ele desencadeia a liberação de cálcio dentro das células adjacentes, o que estimula essas células a liberar mais peróxido de hidrogênio.

p "Como dominós caindo sucessivamente, isso cria uma onda que pode se propagar muito mais longe do que uma nuvem de peróxido de hidrogênio sozinha faria, "Strano diz." A onda em si é alimentada pelas células que a recebem e propagam. "

p Esta inundação de peróxido de hidrogênio estimula as células vegetais a produzir moléculas chamadas metabólitos secundários, como flavonóides ou carotenóides, que os ajudam a reparar os danos. Algumas plantas também produzem outros metabólitos secundários que podem ser secretados para afastar predadores. Esses metabólitos são frequentemente a fonte dos sabores alimentares que desejamos em nossas plantas comestíveis, e eles são produzidos apenas sob estresse.

p Uma vantagem chave da nova técnica de detecção é que ela pode ser usada em muitas espécies de plantas diferentes. Tradicionalmente, biólogos de plantas fizeram muitas de suas pesquisas de biologia molecular em certas plantas que são passíveis de manipulação genética, incluindo Arabidopsis thaliana e plantas de tabaco. Contudo, a nova abordagem do MIT é aplicável a qualquer planta.

p "Neste estudo, fomos capazes de comparar rapidamente oito espécies de plantas, e você não seria capaz de fazer isso com as ferramentas antigas, "Strano diz.

p Os pesquisadores testaram plantas de morango, espinafre, Rúcula, alface, agrião, e azeda, e descobriram que diferentes espécies parecem produzir diferentes formas de onda - a forma distinta produzida pelo mapeamento da concentração de peróxido de hidrogênio ao longo do tempo. Eles levantam a hipótese de que a resposta de cada planta está relacionada à sua capacidade de neutralizar o dano. Cada espécie também parece responder de maneira diferente a diferentes tipos de estresse, incluindo lesão mecânica, infecção, e danos causados ​​pelo calor ou luz.

p "Esta forma de onda contém muitas informações para cada espécie, e ainda mais emocionante é que o tipo de estresse em uma determinada planta é codificado nesta forma de onda, "Strano diz." Você pode olhar para a resposta em tempo real que uma planta experimenta em quase qualquer ambiente novo. "

p Resposta ao estresse

p A fluorescência infravermelha produzida pelos sensores pode ser visualizada usando uma pequena câmera infravermelha conectada a um Raspberry Pi, um computador do tamanho de um cartão de crédito de $ 35, semelhante ao computador dentro de um smartphone. "Uma instrumentação muito barata pode ser usada para capturar o sinal, "Strano diz.

p As aplicações para esta tecnologia incluem a triagem de diferentes espécies de plantas quanto à sua capacidade de resistir a danos mecânicos, luz, aquecer, e outras formas de estresse, Strano diz. Também pode ser usado para estudar como as diferentes espécies respondem aos patógenos, como as bactérias que causam o esverdeamento dos cítricos e os fungos que causam a ferrugem do café.

p "Uma das coisas que estou interessado em fazer é entender por que alguns tipos de plantas exibem certa imunidade a esses patógenos e outros não, " ele diz.

p Strano e seus colegas do grupo de pesquisa interdisciplinar de Tecnologia Disruptiva e Sustentável para Precisão Agrícola na Aliança para Pesquisa e Tecnologia do MIT-Cingapura (SMART), Empresa de pesquisa do MIT em Cingapura, também estão interessados ​​em estudar como as plantas respondem a diferentes condições de cultivo em fazendas urbanas.

p Um problema que eles esperam resolver é evitar a sombra, que é visto em muitas espécies de plantas quando são cultivadas em alta densidade. Essas plantas ativam uma resposta ao estresse que desvia seus recursos para crescer mais alto, em vez de colocar energia na produção de safras. Isso diminui o rendimento geral da colheita, portanto, os pesquisadores agrícolas estão interessados ​​em plantas de engenharia, de modo que não ativem essa resposta.

p "Nosso sensor nos permite interceptar esse sinal de estresse e entender exatamente as condições e o mecanismo que está acontecendo a montante e a jusante na planta que dá origem à prevenção da sombra, "Strano diz.