C’est la première fois que des nanocapteurs capables de détecter et de distinguer les gibbérellines (GAs), un type d’hormone végétale qui régule la croissance des plantes, sont développés et validés chez les plantes vivantes.
Les nanocapteurs peuvent être infiltrés dans les racines de différentes plantes vivantes pour évaluer la dynamique de signalisation de la gibbérelline de la plante lorsqu’elle subit des stress environnementaux, ce qui peut avoir un impact négatif sur la croissance et la santé des plantes.
Cette nouvelle solution fournit une surveillance in vivo en temps réel des niveaux de GA dans les plantes, une rupture avec les méthodes actuelles, qui impliquent souvent des méthodes de collecte destructives, et ouvre la voie à de nouvelles avancées dans la surveillance du stress des plantes tout en aidant à relever les principaux défis dans agricultureDes chercheurs du Groupe de recherche interdisciplinaire (IRG) Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) de Singapour-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), l’entreprise de recherche du MIT à Singapour et leurs collaborateurs du Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) ont développé le tout premier nanocapteur capable de détecter et de distinguer les gibbérellines (GA), une classe d’hormones présentes dans les plantes qui sont importantes pour la croissance. Les nouveaux nanocapteurs sont non destructifs, contrairement aux méthodes de collecte conventionnelles, et ont été testés avec succès sur des plantes vivantes. Appliqués dans le domaine de la surveillance précoce du stress des plantes, les capteurs pourraient s’avérer transformateurs pour l’agriculture et la biotechnologie végétale, offrant aux agriculteurs intéressés par l’agriculture de précision de haute technologie et la gestion des cultures un outil précieux pour optimiser le rendement.
Les chercheurs ont conçu des capteurs à nanotubes de carbone fluorescents dans le proche infrarouge (NIR) capables de détecter et de distinguer deux hormones végétales, GA3 et GA4. Appartenant à une classe d’hormones végétales appelées gibbérellines (GA), GA3 et GA4 sont des phytohormones diterpénoïdes produites par les plantes qui jouent un rôle important dans la modulation de divers processus impliqués dans la croissance et le développement des plantes. On pense que les GA ont joué un rôle dans les forces motrices de la «révolution verte» des années 1960, qui a été, à son tour, créditée d’avoir évité la famine et sauvé la vie de nombreuses personnes dans le monde. L’étude continue des gibbérellines pourrait conduire à de nouvelles percées en sciences agricoles et avoir des implications pour la sécurité alimentaire.
Le changement climatique, le réchauffement climatique et l’élévation du niveau de la mer entraînent la contamination des sols agricoles par l’eau salée, ce qui augmente la salinité des sols. À son tour, une salinité élevée du sol est connue pour réguler négativement la biosynthèse de GA et favoriser le métabolisme de GA, entraînant la réduction de la teneur en GA dans les plantes. Les nouveaux nanocapteurs développés par les chercheurs de SMART permettent d’étudier très tôt la dynamique de l’AG dans les plantes vivantes soumises à un stress de salinité, permettant potentiellement aux agriculteurs de faire des interventions précoces lorsqu’elles seront éventuellement appliquées sur le terrain. Cela constitue la base de la détection précoce du stress.
Actuellement, les méthodes de détection de GA3 et GA4 nécessitent généralement une analyse basée sur la spectroscopie de masse, un processus long et destructeur. En revanche, les nouveaux capteurs développés par les chercheurs sont hautement sélectifs pour les GA respectifs et offrent une surveillance in vivo en temps réel des changements des niveaux de GA dans un large éventail d’espèces végétales.
Décrite dans un article intitulé “Near-Infrared Fluorescent Carbon Nanotube Sensors for the Plant Hormone Family Gibberellins”, publié dans la revue Nano Letters, la recherche représente une percée pour la détection précoce du stress des plantes et recèle un énorme potentiel pour faire progresser la biotechnologie végétale et l’agriculture. . Cet article s’appuie sur des recherches antérieures menées par l’équipe de SMART DiSTAP sur des nanocapteurs à base de nanotubes de carbone à paroi unique (basés sur SWNT) utilisant la plate-forme de reconnaissance moléculaire en phase corona (CoPhMoRe).
Basés sur le concept CoPhMoRe lancé par le Strano Lab du MIT, les nouveaux capteurs sont capables de détecter la cinétique de GA dans les racines d’une variété d’espèces végétales modèles et non modèles, y compris Arabidopsis, la laitue et le basilic, ainsi que l’accumulation de GA lors de l’émergence latérale des racines, soulignant l’importance de l’AG dans l’architecture du système racinaire. Cela a été rendu possible par le développement connexe par les chercheurs d’un nouveau fluorimètre couplé Raman/NIR qui permet l’auto-référencement de la fluorescence NIR du nanocapteur avec sa bande G Raman, une nouvelle innovation matérielle qui supprime le besoin d’un nanocapteur de référence séparé et simplifie grandement les exigences d’instrumentation en utilisant un seul canal optique pour mesurer la concentration hormonale.
À l’aide des nanocapteurs GA réversibles, les chercheurs ont détecté une augmentation des niveaux endogènes de GA chez les plantes mutantes produisant de plus grandes quantités de GA20ox1, une enzyme clé dans la biosynthèse de GA, ainsi qu’une diminution des niveaux de GA chez les plantes soumises à un stress de salinité. Lorsqu’ils sont exposés à un stress de salinité, les chercheurs ont également constaté que la croissance de la laitue était gravement rabougrie – une indication qui n’est devenue apparente qu’après 10 jours. En revanche, les nanocapteurs GA ont signalé une diminution des niveaux de GA après seulement 6 heures, démontrant leur efficacité en tant qu’indicateur beaucoup plus précoce du stress de salinité.
« Notre technique CoPhMoRe nous permet de créer des nanoparticules qui agissent comme des anticorps naturels en ce sens qu’elles peuvent reconnaître et se verrouiller sur des molécules spécifiques. Mais ils ont tendance à être beaucoup plus stables que les alternatives. Nous avons utilisé cette méthode pour créer avec succès des nanocapteurs pour les signaux des plantes tels que le peroxyde d’hydrogène et les polluants de métaux lourds comme l’arsenic dans les plantes et le sol. La méthode fonctionne pour créer des capteurs pour des molécules organiques comme l’auxine synthétique – une hormone végétale importante – comme nous l’avons montré. Cette dernière percée étend maintenant ce succès à une famille d’hormones végétales appelées gibbérellines – une famille extrêmement difficile à reconnaître », a déclaré l’auteur co-correspondant, le professeur Michael Strano, co-chercheur principal de DiSTAP et le professeur de génie chimique Carbon P. Dubbs au MIT. “La technologie qui en résulte offre une méthode rapide, en temps réel et in vivo pour surveiller les changements des niveaux de GA dans pratiquement toutes les plantes, et peut remplacer les méthodes de détection actuelles qui sont laborieuses, destructrices, spécifiques à l’espèce et beaucoup moins efficaces.”
Le Dr Mervin Chun-Yi Ang, directeur scientifique associé chez DiSTAP et co-premier auteur de l’article, a ajouté : « Plus qu’une simple percée dans la détection du stress des plantes, nous avons également démontré une innovation matérielle sous la forme d’un nouveau Raman couplé. /NIR fluorimètre qui a permis l’auto-référencement de la fluorescence du capteur SWNT avec sa bande Raman G, ce qui représente une avancée majeure dans la traduction de nos outils de nanodétection sur le terrain. Dans un avenir proche, nos capteurs pourront être combinés avec des composants électroniques à faible coût, des optodes portables ou des interfaces de micro-aiguilles à usage industriel, transformant la façon dont l’industrie détecte et atténue le stress des plantes dans les cultures vivrières et améliore potentiellement la croissance et le rendement.
Les nouveaux capteurs pourraient encore avoir une variété d’applications industrielles et de cas d’utilisation. Comme l’a expliqué le chercheur principal du TLL, le professeur adjoint auxiliaire du NUS Daisuke Urano et l’auteur co-correspondant de l’article, « les GA sont connus pour réguler un large éventail de processus de développement des plantes, du développement des pousses, des racines et des fleurs à la germination des graines et au stress des plantes. réponses. Avec la commercialisation des GA, ces hormones végétales sont également vendues aux producteurs et aux agriculteurs en tant que régulateurs de croissance des plantes pour favoriser la croissance des plantes et la germination des graines. Nos nouveaux nanocapteurs GA pourraient être appliqués sur le terrain pour la surveillance précoce du stress des plantes et également être utilisés par les producteurs et les agriculteurs pour suivre l’absorption ou le métabolisme de l’AG dans leurs cultures.
La conception et le développement des nanocapteurs, la création et la validation du fluorimètre couplé Raman/NIR et des algorithmes de traitement d’images/données associés, ainsi que l’analyse statistique des lectures des capteurs de plantes pour cette étude ont été réalisées par SMART et MIT ; tandis que TLL était responsable de la conception, de l’exécution et de l’analyse des études liées aux plantes, y compris la validation des nanocapteurs dans les plantes vivantes. La recherche est menée par SMART et soutenue par NRF dans le cadre de son programme Campus for Research Excellence And Technological Enterprise (CREATE).
Source: smart.mit.edu
