Investigadores del MIT presentan un nanosensor para el monitoreo del hierro en tiempo real en plantas

Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, MA

Los investigadores de DiSTAP desarrollaron sensores para la detección y el seguimiento rápidos del hierro en las plantas, lo que permite una agricultura de precisión y una gestión sostenible de los cultivos. (Imagen:cortesía de SMART DiSTAP)

Investigadores del grupo de investigación interdisciplinario Tecnologías disruptivas y sostenibles para la precisión agrícola (DiSTAP) de la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología (SMART), la empresa de investigación del MIT en Singapur, en colaboración con Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) y el MIT, han desarrollado un innovador nanosensor fluorescente de infrarrojo cercano (NIR) capaz de detectar y diferenciar simultáneamente entre formas de hierro, Fe (II) y Fe (III), en plantas vivas.

El hierro es crucial para la salud de las plantas, ya que favorece la fotosíntesis, la respiración y la función enzimática. Existe principalmente en dos formas:Fe (II), que está fácilmente disponible para que las plantas lo absorban y utilicen, y Fe (III), que primero debe convertirse en Fe (II) antes de que las plantas puedan utilizarlo de manera efectiva. Los métodos tradicionales solo miden el hierro total, sin distinguir entre estas formas, un factor clave en la nutrición de las plantas. Distinguir entre Fe(II) y Fe(III) proporciona información sobre la eficiencia de la absorción de hierro, ayuda a diagnosticar deficiencias o toxicidades y permite estrategias de fertilización precisas en la agricultura, reduciendo los residuos y el impacto ambiental al tiempo que mejora la productividad de los cultivos.

El primer nanosensor de su tipo desarrollado por investigadores de SMART permite el monitoreo no destructivo en tiempo real de la absorción, el transporte y los cambios entre sus diferentes formas de hierro, proporcionando observaciones precisas y detalladas de la dinámica del hierro. Su alta resolución espacial permite la localización precisa del hierro en los tejidos vegetales o compartimentos subcelulares, lo que permite medir incluso cambios mínimos en los niveles de hierro dentro de las plantas, cambios que pueden informar cómo una planta maneja el estrés y utiliza los nutrientes.

Los métodos de detección tradicionales son destructivos o se limitan a una única forma de hierro. Esta nueva tecnología permite diagnosticar carencias y optimizar las estrategias de fertilización. Al identificar una ingesta insuficiente o excesiva de hierro, se pueden hacer ajustes para mejorar la salud de las plantas, reducir los desechos y apoyar una agricultura más sostenible. Si bien el nanosensor se probó en espinacas y bok choy, es independiente de la especie, lo que permite aplicarlo en una amplia gama de especies de plantas sin modificación genética. Esta capacidad mejora nuestra comprensión de la dinámica del hierro en diversos entornos ecológicos, proporcionando información integral sobre la salud de las plantas y el manejo de nutrientes. Como resultado, sirve como una herramienta valiosa tanto para la investigación fundamental de plantas como para aplicaciones agrícolas, apoyando el manejo preciso de nutrientes, reduciendo el desperdicio de fertilizantes y mejorando la salud de los cultivos.

"El hierro es esencial para el crecimiento y desarrollo de las plantas, pero monitorear sus niveles en las plantas ha sido un desafío. Este innovador sensor es el primero de su tipo en detectar Fe (II) y Fe (III) en plantas vivas con imágenes de alta resolución en tiempo real. Con esta tecnología, podemos garantizar que las plantas reciban la cantidad adecuada de hierro, mejorando la salud de los cultivos y la sostenibilidad agrícola", afirmó Duc Thinh Khong, científico investigador de DiSTAP y coautor principal del artículo.

"Al permitir el seguimiento no destructivo en tiempo real de la especiación del hierro en las plantas, este sensor abre nuevas vías para comprender el metabolismo del hierro en las plantas y las implicaciones de las diferentes variaciones del hierro para las plantas. Dicho conocimiento ayudará a guiar el desarrollo de enfoques de gestión personalizados para mejorar el rendimiento de los cultivos y estrategias de fertilización del suelo más rentables", afirmó Grace Tan, científica investigadora de TLL y coautora del artículo.

La investigación, publicada recientemente en Nano Letters y titulada "Nanosensor para Fe (II) y Fe (III) que permite la detección espaciotemporal en plantas", se basa en la experiencia establecida de SMART DiSTAP en nanobiónica de plantas, aprovechando la plataforma de reconocimiento molecular en fase corona (CoPhMoRe) de la que fue pionera el laboratorio Strano en SMART DiSTAP y el MIT. El nuevo nanosensor presenta nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) envueltos en un polímero fluorescente cargado negativamente, formando una estructura de fase de corona helicoidal que interactúa de manera diferente con Fe (II) y Fe (III). Tras su introducción en los tejidos vegetales y la interacción con el hierro, el sensor emite distintas señales de fluorescencia NIR basadas en el tipo de hierro, lo que permite el seguimiento en tiempo real del movimiento del hierro y los cambios químicos.

Se utilizó la técnica CoPhMoRe para desarrollar respuestas fluorescentes altamente selectivas, lo que permitió una detección precisa de los estados de oxidación del hierro. La fluorescencia NIR de los SWNT ofrece sensibilidad, selectividad y transparencia del tejido superiores al tiempo que minimiza la interferencia, lo que la hace más eficaz que los sensores fluorescentes convencionales. Esta capacidad permite a los investigadores rastrear el movimiento del hierro y los cambios químicos en tiempo real mediante imágenes NIR.

"Este sensor proporciona una poderosa herramienta para estudiar el metabolismo de las plantas, el transporte de nutrientes y las respuestas al estrés. Apoya el uso optimizado de fertilizantes, reduce los costos y el impacto ambiental, y contribuye a cultivos más nutritivos, mejor seguridad alimentaria y prácticas agrícolas sostenibles", afirmó el profesor Daisuke Urano, investigador principal senior de TLL, investigador principal de DiSTAP, profesor asistente adjunto de la Universidad Nacional de Singapur y coautor correspondiente del artículo.

"Este conjunto de sensores nos da acceso a un tipo importante de señalización en las plantas y a un nutriente crítico necesario para que las plantas produzcan clorofila. Esta nueva herramienta no sólo ayudará a los agricultores a detectar la deficiencia de nutrientes, sino también a dar acceso a ciertos mensajes dentro de la planta. Amplía nuestra capacidad para comprender la respuesta de la planta a su entorno de crecimiento", afirmó el profesor Michael Strano, coautor principal del DiSTAP, profesor Carbon P. Dubbs de Ingeniería Química en el MIT y coautor correspondiente del artículo. papel.

Más allá de la agricultura, este nanosensor es prometedor para el monitoreo ambiental, la seguridad alimentaria y las ciencias de la salud, particularmente en el estudio del metabolismo del hierro, la deficiencia de hierro y las enfermedades relacionadas con el hierro en humanos y animales. Las investigaciones futuras se centrarán en aprovechar este nanosensor para avanzar en estudios fundamentales de plantas sobre la homeostasis del hierro, la señalización de nutrientes y la dinámica redox. También se están realizando esfuerzos para integrar el nanosensor en sistemas automatizados de gestión de nutrientes para agricultura hidropónica y basada en el suelo y ampliar su funcionalidad para detectar otros micronutrientes esenciales. Estos avances tienen como objetivo mejorar la sostenibilidad, la precisión y la eficiencia en la agricultura.

Para obtener más información, comuníquese con Clement Foo en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita activar JavaScript para verlo..