Uno studio svolto dai ricercatori del MIT, Massachusetts Institute of Technology, e della Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) hanno utilizzato sensori a base di nanotubi di carbonio per identificare i segnali che indicano lo stress nelle piante
I sensori nelle piante potrebbero funzionare come sistemi di allerta precoce per gli agricoltori, rilevando le molecole che segnalano lo stress quando le colture sono sottoposte a eccessiva luce, calore o attacchi da insetti e microbi.
I ricercatori hanno utilizzato sensori a base di nanotubi di carbonio per identificare i segnali che indicano quando le piante sono stressate da calore, luce o attacchi biologici.
Questi sensori captano due molecole chiave, il perossido di idrogeno e l’acido salicilico (simile all’aspirina), che le piante utilizzano per coordinare le loro reazioni allo stress.
La produzione di queste molecole varia a seconda del tipo di stress, generando modelli distintivi utilizzabili come sistemi di allerta precoce.
Gli agricoltori potrebbero impiegare tali sensori per monitorare le minacce ai loro raccolti e intervenire prontamente per prevenire perdite significative, come spiegato dai ricercatori.
“Abbiamo scoperto che questi sensori, combinati, possono indicare precisamente quale stress sta affrontando la pianta. Cambiamenti chimici interni avvengono in tempo reale, fungendo da impronte digitali specifiche per ogni tipo di stress”, afferma Michael Strano, professore di ingegneria chimica al MIT e uno degli autori principali dello studio.
Sarojam Rajani del Temasek Life Sciences Laboratory di Singapore e Mervin Chun-Yi Ang e Jolly Madathiparambil Saju di SMART sono co-autori dello studio pubblicato su Nature Communications.
Le piante manifestano risposte diverse a vari stress. Ad esempio, nel 2020, il laboratorio di Strano ha sviluppato un sensore che rileva il perossido di idrogeno, utilizzato dalle cellule vegetali come segnale di pericolo in presenza di insetti, infezioni batteriche o eccessiva luce.
Questi sensori, formati da nanotubi di carbonio avvolti in polimeri, possono essere adattati per rilevare diverse molecole e emettono un segnale fluorescente quando rilevano la molecola target. Nel nuovo studio, i sensori sono stati impiegati per captare l’acido salicilico, essenziale nella regolazione della crescita, dello sviluppo e della risposta allo stress delle piante.
I nanosensori vengono applicati alle piante dissolvendoli in una soluzione che viene poi spruzzata sulla parte inferiore delle foglie. Penetrano attraverso i pori, stabilendosi nel mesofillo dove avviene la fotosintesi. La loro attivazione è rilevabile con telecamere a infrarossi.
In queste sperimentazioni, le piante di pak choi esposte a stress come calore, luce intensa, punture di insetti e infezioni batteriche hanno mostrato risposte specifiche. Ogni stress inducendo la produzione di perossido di idrogeno in pochi minuti, e di acido salicilico in tempi variabili.
Questi risultati delineano un “linguaggio” usato dalle piante per coordinare le risposte allo stress, permettendo loro di sopravvivere a diverse sfide. L’acido salicilico e il perossido di idrogeno possono attivare percorsi di segnalazione che promuovono la resistenza al calore e ad altri stress. “Le piante, pur mancando di un cervello o di un sistema nervoso centrale, hanno evoluto un sistema di comunicazione chimica per segnalare condizioni di stress interne”, spiega Strano.
La tecnologia descritta offre un metodo inedito per ottenere dati in tempo reale dalle piante, potenzialmente applicabile a molte specie, non limitate come i sensori tradizionali basati su proteine fluorescenti.
I ricercatori mirano a sviluppare piante sentinella per fornire agli agricoltori avvisi più tempestivi sullo stato di stress dei loro raccolti. Questa capacità è fondamentale in contesti di cambiamento climatico e crescita demografica, dove comprendere e migliorare la tolleranza delle piante allo stress è cruciale.
