MITの研究者が植物のリアルタイム鉄モニタリング用ナノセンサーを発表

マサチューセッツ工科大学、マサチューセッツ州ケンブリッジ

DiSTAP の研究者は、植物内の鉄を迅速に検出および監視するためのセンサーを開発し、精密な農業と持続可能な作物管理を可能にしました。 （画像：SMART DiSTAP提供）

シンガポールのMITの研究企業であるシンガポール-MIT研究技術同盟（SMART）の学際的研究グループである農業精度のための破壊的かつ持続可能な技術（DiSTAP）の研究者らは、テマセク生命科学研究所（TLL）およびMITと協力して、鉄の形態（Fe(II)とFe(III)）を同時に検出および区別できる画期的な近赤外（NIR）蛍光ナノセンサーを開発した。生きた植物で。

鉄は植物の健康に不可欠であり、光合成、呼吸、酵素機能をサポートします。それは主に 2 つの形態で存在します。1 つは植物がすぐに吸収して利用できる Fe(II)、もう 1 つは Fe(III) で、植物が効果的に利用するには、まず Fe(II) に変換する必要があります。従来の方法では総鉄のみを測定しており、植物の栄養における重要な要素であるこれらの形態の区別が欠けています。 Fe(II) と Fe(III) を区別することにより、鉄の摂取効率に関する洞察が得られ、欠乏症や毒性の診断に役立ち、農業における正確な施肥戦略が可能になり、作物の生産性を向上させながら廃棄物と環境への影響を削減します。

SMART の研究者によって開発されたこの種初のナノセンサーは、鉄の取り込み、輸送、さまざまな形態間の変化をリアルタイムで非破壊的にモニタリングできるため、鉄の動態を正確かつ詳細に観察できます。その高い空間分解能により、植物組織または細胞内コンパートメント内の鉄の位置を正確に特定することができ、植物内の鉄レベルの微細な変化を測定することが可能になります。この変化は、植物がどのようにストレスに対処し、栄養素を利用するかを知ることができます。

従来の検出方法は破壊的であるか、単一の形態の鉄に限定されていました。この新しい技術により、欠乏症の診断と施肥戦略の最適化が可能になります。鉄摂取量の不足または過剰を特定することで、植物の健康を強化し、廃棄物を削減し、より持続可能な農業をサポートするための調整を行うことができます。このナノセンサーはほうれん草とチンゲン菜でテストされましたが、種に依存しないため、遺伝子組み換えをせずにさまざまな植物種に適用できます。この機能により、さまざまな生態環境における鉄の動態についての理解が深まり、植物の健康と栄養素の管理についての包括的な洞察が得られます。その結果、植物の基礎研究と農業応用の両方にとって貴重なツールとして機能し、正確な栄養素管理をサポートし、肥料の無駄を減らし、作物の健康状態を改善します。

「鉄は植物の成長と発育に不可欠ですが、植物内の鉄レベルの監視は課題でした。この画期的なセンサーは、リアルタイムの高解像度イメージングで生きた植物中の鉄(II)と鉄(III)の両方を検出するこの種の初のセンサーです。この技術により、植物が適切な量の鉄を確実に摂取できるようになり、作物の健康と農業の持続可能性が向上します。」と、DiSTAPの研究科学者で論文の共同筆頭著者であるDuc Thinh Khong氏は述べています。

「植物の鉄種分化の非破壊的なリアルタイム追跡を可能にするこのセンサーは、植物の鉄代謝と植物に対するさまざまな鉄の変化の影響を理解するための新たな道を開きます。このような知識は、作物の収量を向上させるためのカスタマイズされた管理アプローチの開発と、より費用対効果の高い土壌施肥戦略の開発に役立つでしょう。」と、論文の共同主著者である TLL 研究科学者であるグレース タンは述べています。

最近Nano Lettersに掲載されたこの研究は、「植物における時空間センシングを可能にするFe(II)およびFe(III)のナノセンサー」と題され、SMART DiSTAPとMITのStrano Labが開拓したコロナ相分子認識（CoPhMoRe）プラットフォームを活用した、植物ナノバイオニクスにおけるSMART DiSTAPの確立された専門知識に基づいている。新しいナノセンサーは、負に帯電した蛍光ポリマーで包まれた単層カーボンナノチューブ (SWNT) を特徴としており、Fe(II) および Fe(III) と異なる相互作用をする螺旋コロナ相構造を形成します。植物組織に導入され、鉄と相互作用すると、センサーは鉄の種類に基づいて明確な NIR 蛍光信号を発し、鉄の動きと化学変化をリアルタイムで追跡できるようになります。

CoPhMoRe 技術を使用して高度に選択的な蛍光応答を開発し、鉄の酸化状態の正確な検出を可能にしました。 SWNT の NIR 蛍光は、干渉を最小限に抑えながら優れた感度、選択性、組織の透明性を提供するため、従来の蛍光センサーよりも効果的です。この機能により、研究者は NIR イメージングを使用して鉄の動きと化学変化をリアルタイムで追跡できるようになります。

「このセンサーは、植物の代謝、栄養素の輸送、ストレス反応を研究するための強力なツールを提供します。肥料の使用の最適化をサポートし、コストと環境への影響を削減し、より栄養価の高い作物の生産、食糧安全保障の向上、持続可能な農業実践に貢献します。」と、TLL 上級主任研究員、DiSTAP 主任研究員、シンガポール国立大学非常勤助教授、および論文の共同執筆者である浦野大介教授は述べています。

「この一連のセンサーを使用すると、植物の重要な種類のシグナル伝達と、植物がクロロフィルを作るために必要な重要な栄養素にアクセスできるようになります。この新しいツールは、農家が栄養素欠乏を検出するだけでなく、植物内の特定のメッセージにアクセスできるようになります。これにより、生育環境に対する植物の反応を理解する能力が広がります。」と、DiSTAP共同主任研究者であり、MITのカーボン・P・ダブス化学工学教授であるマイケル・ストラノ教授は述べています。論文の共同責任著者。

このナノセンサーは、農業を超えて、環境モニタリング、食品安全、健康科学、特に人間や動物の鉄代謝、鉄欠乏、鉄関連疾患の研究において期待されています。今後の研究は、このナノセンサーを活用して、鉄恒常性、栄養素シグナル伝達、酸化還元ダイナミクスに関する基礎的な植物研究を進めることに焦点を当てます。ナノセンサーを水耕栽培および土壌ベースの農業用の自動栄養素管理システムに統合し、他の必須微量栄養素を検出するためにその機能を拡張する取り組みも進行中です。これらの進歩は、農業における持続可能性、精度、効率を向上させることを目的としています。

詳細については、Clement Foo までお問い合わせください。このメール アドレスはスパムボットから保護されています。表示するには JavaScript を有効にする必要があります。