Skip Ribbon Commands
Skip to main content

Bằng cách sử dụng một cặp cảm biến làm từ ống nano carbon, các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Massachusetts MIT và Liên minh Nghiên cứu và Công nghệ Singapore-MIT (SMART) đã phát hiện ra các tín hiệu tiết lộ khi cây trồng gặp phải áp lực như nhiệt, ánh sáng hoặc bị côn trùng hoặc vi khuẩn tấn công.



Các cảm biến phát hiện hai phân tử tín hiệu mà thực vật sử dụng để phối hợp phản ứng với stress: hydrogen peroxide và axit salicylic (một phân tử tương tự như aspirin). Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng thực vật tạo ra các phân tử này ở các thời điểm khác nhau đối với từng loại căng thẳng, tạo ra các kiểu mẫu đặc biệt có thể đóng vai trò là hệ thống cảnh báo sớm.

Các nhà nghiên cứu cho biết, nông dân có thể sử dụng những cảm biến này để theo dõi các mối đe dọa tiềm tàng đối với cây trồng của họ, cho phép họ can thiệp trước khi mùa vụ bị mất trắng.

Michael Strano, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học Carbon P. Dubbs tại MIT và là một trong những tác giả của nghiên cứu cho biết: “Những gì chúng tôi phát hiện ra là hai cảm biến này kết hợp với nhau có thể cho người dùng biết chính xác loại áp lực mà cây đang phải trải qua. Trong thời gian thực, bạn sẽ thấy những thay đổi hóa học ở cây trồng.”

Thực vật phản ứng với các loại căng thẳng khác nhau theo những cách khác nhau. Vào năm 2020, phòng thí nghiệm của Strano đã phát triển một cảm biến có thể phát hiện hydro peroxide, chất mà tế bào thực vật sử dụng làm tín hiệu báo nguy khi chúng bị côn trùng tấn công hoặc gặp phải các căng thẳng khác như nhiễm vi khuẩn hoặc quá nhiều ánh sáng.

Những cảm biến này bao gồm các ống nano carbon nhỏ được bọc trong polyme. Bằng cách thay đổi cấu trúc ba chiều của polyme, các cảm biến có thể được điều chỉnh để phát hiện các phân tử khác nhau, phát ra tín hiệu huỳnh quang khi có mục tiêu. Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp này để phát triển một cảm biến có thể phát hiện axit salicylic, một phân tử có liên quan đến việc điều chỉnh nhiều khía cạnh của sự sinh trưởng, phát triển và phản ứng của thực vật với stress.

Để nhúng các cảm biến nano vào thực vật, các nhà nghiên cứu hòa tan chúng trong dung dịch, sau đó đưa dung dịch này vào mặt dưới của lá cây. Các cảm biến có thể xâm nhập vào lá thông qua các lỗ gọi là khí khổng và cư trú trong trung mô - lớp diễn ra hầu hết quá trình quang hợp. Khi cảm biến được kích hoạt, tín hiệu có thể dễ dàng được phát hiện bằng camera hồng ngoại.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã áp dụng các cảm biến về hydro peroxide và axit salicylic vào pak choi, một loại rau lá xanh còn được gọi là cải chíp. Sau đó, họ cho cây tiếp xúc với bốn loại căng thẳng khác nhau – nhiệt độ, ánh sáng cường độ cao, vết côn trùng cắn và nhiễm trùng do vi khuẩn – và phát hiện ra rằng thực vật tạo ra những phản ứng đặc biệt đối với từng loại căng thẳng.

Mỗi loại căng thẳng khiến cây trồng sản xuất hydrogen peroxide trong vòng vài phút, đạt mức tối đa trong vòng một giờ và sau đó trở lại bình thường. Nhiệt, ánh sáng và nhiễm trùng do vi khuẩn đều kích thích sản xuất axit salicylic trong vòng hai giờ kể từ khi bị kích thích, nhưng ở những thời điểm khác nhau. Vết côn trùng cắn hoàn toàn không kích thích sản xuất axit salicylic.

Strano cho biết những phát hiện này thể hiện một “ngôn ngữ” mà thực vật sử dụng để phối hợp phản ứng với căng thẳng. Sóng hydrogen peroxide và axit salicylic kích hoạt các phản ứng bổ sung giúp cây tồn tại trước bất kỳ loại căng thẳng nào mà nó phải đối mặt.

Đối với căng thẳng như vết côn trùng cắn, phản ứng này bao gồm việc sản sinh ra các hợp chất hóa học mà côn trùng không thích, khiến chúng rời khỏi cây. Axit salicylic và hydro peroxide cũng có thể kích hoạt các con đường truyền tín hiệu, kích hoạt quá trình sản xuất protein giúp thực vật phản ứng với nhiệt độ và các áp lực khác.

“Thực vật không có não, không có hệ thần kinh trung ương, nhưng chúng tiến hóa để gửi các hỗn hợp hóa chất khác nhau và đó là cách chúng thông báo với phần còn lại của cây rằng trời quá nóng hoặc côn trùng săn mồi. đang tấn công,” Strano nói.

Cảnh báo sớm

Kỹ thuật này là kỹ thuật đầu tiên có thể thu được thông tin theo thời gian thực từ một loại cây và là kỹ thuật duy nhất có thể áp dụng cho hầu hết mọi loại cây. Hầu hết các cảm biến hiện có đều bao gồm các protein huỳnh quang phải được biến đổi gien thành một loại cây cụ thể, chẳng hạn như cây thuốc lá hoặc cây thí nghiệm phổ biến Arabidopsis thaliana.

Các nhà nghiên cứu hiện đang điều chỉnh những cảm biến này để tạo ra những cây canh gác có thể được theo dõi để đưa ra cảnh báo sớm hơn cho nông dân khi cây trồng của họ bị căng thẳng. Ví dụ, khi cây không có đủ nước, cuối cùng chúng bắt đầu chuyển sang màu nâu, nhưng khi điều đó xảy ra thì thường đã quá muộn để can thiệp.

Công nghệ này cũng có thể được sử dụng để phát triển các hệ thống không chỉ nhận biết khi thực vật gặp khó khăn mà còn kích hoạt phản ứng như thay đổi nhiệt độ hoặc lượng ánh sáng trong nhà kính.

Strano cho biết: “Chúng tôi đang kết hợp công nghệ này vào chẩn đoán để có thể cung cấp cho nông dân thông tin theo thời gian thực nhanh hơn nhiều so với bất kỳ cảm biến nào khác và đủ nhanh để họ can thiệp”.

Các nhà nghiên cứu cũng đang phát triển các cảm biến có thể được sử dụng để phát hiện các phân tử truyền tín hiệu khác của thực vật với hy vọng tìm hiểu thêm về phản ứng của chúng trước căng thẳng và các kích thích khác.

Lê Hồng Vân (Theo sciencedaily)



32878