Les ingénieurs du MIT ont développé un moyen de suivre de près la façon dont les plantes réagissent aux stress tels que les blessures, infection, et de légers dégâts, à l'aide de capteurs en nanotubes de carbone. Ces capteurs peuvent être encastrés dans les feuilles des plantes, où ils rendent compte des ondes de signalisation du peroxyde d'hydrogène.

Les plantes utilisent le peroxyde d'hydrogène pour communiquer dans leurs feuilles, envoyant un signal de détresse qui stimule les cellules des feuilles à produire des composés qui les aideront à réparer les dommages ou à repousser les prédateurs tels que les insectes. Les nouveaux capteurs peuvent utiliser ces signaux de peroxyde d'hydrogène pour distinguer différents types de stress, ainsi qu'entre différentes espèces de plantes.

« Les usines ont une forme très sophistiquée de communication interne, que nous pouvons maintenant observer pour la première fois. Cela signifie qu'en temps réel, nous pouvons voir la réponse d'une plante vivante, communiquer le type spécifique de stress qu'il éprouve, " dit Michael Strano, le professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT.

Ce type de capteur pourrait être utilisé pour étudier comment les plantes réagissent à différents types de stress, aider potentiellement les agronomes à développer de nouvelles stratégies pour améliorer les rendements des cultures. Les chercheurs ont démontré leur approche sur huit espèces végétales différentes, dont épinards, plants de fraises, et de la roquette, et ils croient que cela pourrait fonctionner dans beaucoup d'autres.

Strano est l'auteur principal de l'étude, qui apparaît aujourd'hui dans Plantes naturelles . Tedrick Thomas Salim Lew, étudiant diplômé du MIT, est l'auteur principal de l'article.

Capteurs embarqués

Au cours des dernières années, Le laboratoire de Strano a exploré le potentiel d'ingénierie des « plantes nanobioniques », des plantes qui incorporent des nanomatériaux qui donnent aux plantes de nouvelles fonctions, comme émettre de la lumière ou détecter des pénuries d'eau. Dans la nouvelle étude, il a entrepris d'incorporer des capteurs qui rendraient compte de l'état de santé des plantes.

Strano avait précédemment développé des capteurs à nanotubes de carbone capables de détecter diverses molécules, y compris le peroxyde d'hydrogène. Il y a environ trois ans, Lew a commencé à essayer d'incorporer ces capteurs dans les feuilles des plantes. Etudes sur Arabidopsis thaliana, souvent utilisé pour les études moléculaires des plantes, avait suggéré que les plantes pourraient utiliser le peroxyde d'hydrogène comme molécule de signalisation, mais son rôle exact n'était pas clair.

Lew a utilisé une méthode appelée pénétration de l'enveloppe d'échange lipidique (LEEP) pour incorporer les capteurs dans les feuilles des plantes. LEP, que le laboratoire de Strano a développé il y a plusieurs années, permet la conception de nanoparticules qui peuvent pénétrer dans les membranes cellulaires végétales. Alors que Lew travaillait à l'intégration des capteurs à nanotubes de carbone, il a fait une découverte fortuite.

"Je m'entraînais pour me familiariser avec la technique, et au cours de l'entraînement, j'ai accidentellement infligé une blessure à la plante. Puis j'ai vu cette évolution du signal de peroxyde d'hydrogène, " il dit.

Il a vu qu'après qu'une feuille a été blessée, du peroxyde d'hydrogène a été libéré du site de la plaie et a généré une onde qui s'est propagée le long de la feuille, similaire à la façon dont les neurones transmettent des impulsions électriques dans notre cerveau. Comme une cellule végétale libère du peroxyde d'hydrogène, il déclenche la libération de calcium dans les cellules adjacentes, ce qui stimule ces cellules à libérer plus de peroxyde d'hydrogène.

"Comme des dominos tombant successivement, cela fait une onde qui peut se propager beaucoup plus loin qu'une bouffée de peroxyde d'hydrogène seule, " dit Strano. " L'onde elle-même est alimentée par les cellules qui la reçoivent et la propagent. "

Ce flot de peroxyde d'hydrogène stimule les cellules végétales à produire des molécules appelées métabolites secondaires, tels que les flavonoïdes ou les caroténoïdes, qui les aident à réparer les dégâts. Certaines plantes produisent également d'autres métabolites secondaires qui peuvent être sécrétés pour repousser les prédateurs. Ces métabolites sont souvent la source des saveurs alimentaires que nous désirons dans nos plantes comestibles, et ils ne sont produits que sous contrainte.

Un avantage clé de la nouvelle technique de détection est qu'elle peut être utilisée dans de nombreuses espèces végétales différentes. Traditionnellement, les biologistes végétaux ont effectué une grande partie de leurs recherches en biologie moléculaire sur certaines plantes qui se prêtent à la manipulation génétique, y compris Arabidopsis thaliana et les plants de tabac. Cependant, la nouvelle approche du MIT est applicable à potentiellement n'importe quelle usine.

"Dans cette étude, nous avons pu comparer rapidement huit espèces végétales, et vous ne seriez pas capable de faire ça avec les vieux outils, " dit Strano.

Les chercheurs ont testé des plants de fraises, épinard, Roquette, salade, cresson, et l'oseille, et a constaté que différentes espèces semblent produire différentes formes d'onde - la forme distinctive produite en cartographiant la concentration de peroxyde d'hydrogène au fil du temps. Ils émettent l'hypothèse que la réponse de chaque plante est liée à sa capacité à contrer les dommages. Chaque espèce semble également réagir différemment à différents types de stress, y compris les blessures mécaniques, infection, et des dommages causés par la chaleur ou la lumière.

"Cette forme d'onde contient beaucoup d'informations pour chaque espèce, et encore plus excitant est que le type de stress sur une plante donnée est codé dans cette forme d'onde, " dit Strano. " Vous pouvez regarder la réponse en temps réel qu'une usine éprouve dans presque n'importe quel nouvel environnement. "

Réponse au stress

La fluorescence proche infrarouge produite par les capteurs peut être imagée à l'aide d'une petite caméra infrarouge connectée à un Raspberry Pi, un ordinateur de la taille d'une carte de crédit de 35 $ semblable à l'ordinateur à l'intérieur d'un smartphone. "Une instrumentation très peu coûteuse peut être utilisée pour capturer le signal, " dit Strano.

Les applications de cette technologie comprennent le criblage de différentes espèces de plantes pour leur capacité à résister aux dommages mécaniques, léger, Chauffer, et d'autres formes de stress, dit Strano. Il pourrait également être utilisé pour étudier comment différentes espèces réagissent aux agents pathogènes, comme les bactéries qui causent le verdissement des agrumes et le champignon qui cause la rouille du café.

"L'une des choses qui m'intéresse est de comprendre pourquoi certains types de plantes présentent une certaine immunité contre ces agents pathogènes et d'autres non, " il dit.

Strano et ses collègues du groupe de recherche interdisciplinaire Disruptive and Sustainable Technology for Agricultural Precision de la MIT-Singapore Alliance for Research and Technology (SMART), L'entreprise de recherche du MIT à Singapour, sont également intéressés à étudier comment les plantes réagissent aux différentes conditions de croissance dans les fermes urbaines.

Un problème qu'ils espèrent résoudre est l'évitement de l'ombre, ce qui est observé chez de nombreuses espèces de plantes lorsqu'elles sont cultivées à haute densité. De telles plantes déclenchent une réponse au stress qui détourne leurs ressources pour grandir, au lieu de consacrer de l'énergie à la production de cultures. Cela réduit le rendement global des cultures, les chercheurs agricoles s'intéressent donc à l'ingénierie des plantes pour ne pas déclencher cette réponse.

"Notre capteur nous permet d'intercepter ce signal de stress et de comprendre exactement les conditions et le mécanisme qui se produisent en amont et en aval dans la plante qui donne lieu à l'évitement de l'ombre, " dit Strano.