Pesquisadores do MIT revelam nanosensor para monitoramento de ferro em plantas em tempo real

Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Cambridge, MA
Os investigadores da DiSTAP desenvolveram sensores para detecção e monitorização rápida de ferro nas plantas, permitindo uma agricultura de precisão e uma gestão sustentável das culturas. (Imagem:Cortesia de SMART DiSTAP)
Pesquisadores do grupo de pesquisa interdisciplinar Tecnologias Disruptivas e Sustentáveis ​​para Precisão Agrícola (DiSTAP) da Aliança para Pesquisa e Tecnologia Cingapura-MIT (SMART), a empresa de pesquisa do MIT em Cingapura, em colaboração com o Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) e o MIT, desenvolveram um inovador nanosensor fluorescente de infravermelho próximo (NIR) capaz de detectar e diferenciar simultaneamente entre formas de ferro - Fe (II) e Fe (III) - em plantas vivas.

O ferro é crucial para a saúde das plantas, apoiando a fotossíntese, a respiração e a função enzimática. Ele existe principalmente em duas formas:Fe(II), que está prontamente disponível para as plantas absorverem e usarem, e Fe(III), que deve primeiro ser convertido em Fe(II) antes que as plantas possam utilizá-lo efetivamente. Os métodos tradicionais medem apenas o ferro total, faltando a distinção entre estas formas – um factor chave na nutrição das plantas. A distinção entre Fe(II) e Fe(III) fornece informações sobre a eficiência da absorção de ferro, ajuda a diagnosticar deficiências ou toxicidades e permite estratégias precisas de fertilização na agricultura, reduzindo o desperdício e o impacto ambiental, ao mesmo tempo que melhora a produtividade das culturas.

O primeiro nanossensor desenvolvido por pesquisadores da SMART permite o monitoramento não destrutivo e em tempo real da absorção, transporte e mudanças do ferro entre suas diferentes formas – fornecendo observações precisas e detalhadas da dinâmica do ferro. Sua alta resolução espacial permite a localização precisa do ferro nos tecidos vegetais ou nos compartimentos subcelulares, permitindo a medição de alterações mínimas nos níveis de ferro nas plantas – alterações que podem informar como uma planta lida com o estresse e utiliza os nutrientes.

Os métodos tradicionais de detecção são destrutivos ou limitados a uma única forma de ferro. Esta nova tecnologia permite o diagnóstico de deficiências e a otimização das estratégias de fertilização. Ao identificar a ingestão insuficiente ou excessiva de ferro, podem ser feitos ajustes para melhorar a saúde das plantas, reduzir o desperdício e apoiar uma agricultura mais sustentável. Embora o nanosensor tenha sido testado em espinafre e bok choy, ele é independente de espécie, permitindo que seja aplicado em uma ampla gama de espécies de plantas sem modificação genética. Esta capacidade melhora a nossa compreensão da dinâmica do ferro em vários ambientes ecológicos, fornecendo informações abrangentes sobre a saúde das plantas e a gestão de nutrientes. Como resultado, serve como uma ferramenta valiosa tanto para a investigação vegetal fundamental como para aplicações agrícolas, apoiando a gestão precisa de nutrientes, reduzindo o desperdício de fertilizantes e melhorando a saúde das culturas.

"O ferro é essencial para o crescimento e desenvolvimento das plantas, mas monitorar seus níveis nas plantas tem sido um desafio. Este sensor inovador é o primeiro de seu tipo a detectar Fe(II) e Fe(III) em plantas vivas com imagens de alta resolução em tempo real. Com esta tecnologia, podemos garantir que as plantas recebam a quantidade certa de ferro, melhorando a saúde das culturas e a sustentabilidade agrícola", disse Duc Thinh Khong, cientista pesquisador do DiSTAP e co-autor principal do artigo.

"Ao permitir o rastreamento não destrutivo em tempo real da especiação do ferro nas plantas, este sensor abre novos caminhos para a compreensão do metabolismo do ferro nas plantas e as implicações das diferentes variações do ferro para as plantas. Esse conhecimento ajudará a orientar o desenvolvimento de abordagens de manejo personalizadas para melhorar o rendimento das culturas e estratégias de fertilização do solo mais econômicas", disse Grace Tan, cientista pesquisadora da TLL e co-autora do artigo.

A pesquisa, publicada recentemente na Nano Letters e intitulada “Nanosensor para Fe(II) e Fe(III) Permitindo Detecção Spatiotemporal em Planta”, baseia-se na experiência estabelecida da SMART DiSTAP em nanobiônica de plantas, aproveitando a plataforma de Reconhecimento Molecular de Fase Corona (CoPhMoRe) pioneira no Strano Lab da SMART DiSTAP e MIT. O novo nanosensor apresenta nanotubos de carbono de parede única (SWNTs) envoltos em um polímero fluorescente carregado negativamente, formando uma estrutura helicoidal de fase corona que interage de maneira diferente com Fe(II) e Fe(III). Após a introdução nos tecidos vegetais e a interação com o ferro, o sensor emite sinais de fluorescência NIR distintos com base no tipo de ferro, permitindo o rastreamento em tempo real do movimento do ferro e das alterações químicas.

A técnica CoPhMoRe foi utilizada para desenvolver respostas fluorescentes altamente seletivas, permitindo a detecção precisa dos estados de oxidação do ferro. A fluorescência NIR dos SWNTs oferece sensibilidade, seletividade e transparência de tecido superiores, ao mesmo tempo que minimiza a interferência, tornando-o mais eficaz do que os sensores fluorescentes convencionais. Esse recurso permite que os pesquisadores rastreiem o movimento do ferro e as alterações químicas em tempo real usando imagens NIR.

"Este sensor fornece uma ferramenta poderosa para estudar o metabolismo das plantas, o transporte de nutrientes e as respostas ao estresse. Ele suporta o uso otimizado de fertilizantes, reduz custos e impacto ambiental e contribui para culturas mais nutritivas, melhor segurança alimentar e práticas agrícolas sustentáveis, "disse o professor Daisuke Urano, investigador principal sênior do TLL, investigador principal do DiSTAP, professor assistente adjunto da Universidade Nacional de Cingapura e co-autor correspondente do artigo.

"Este conjunto de sensores nos dá acesso a um tipo importante de sinalização nas plantas e a um nutriente crítico necessário para as plantas produzirem clorofila. Esta nova ferramenta não apenas ajudará os agricultores a detectar a deficiência de nutrientes, mas também dará acesso a certas mensagens dentro da planta. Ela expande nossa capacidade de compreender a resposta da planta ao seu ambiente de crescimento, "disse o professor Michael Strano, co-investigador principal do DiSTAP, Carbon P. Dubbs Professor de Engenharia Química no MIT, e co-autor correspondente do artigo.

Além da agricultura, este nanosensor é promissor para monitoramento ambiental, segurança alimentar e ciências da saúde, particularmente no estudo do metabolismo do ferro, deficiência de ferro e doenças relacionadas ao ferro em humanos e animais. Pesquisas futuras se concentrarão em aproveitar este nanosensor para avançar estudos fundamentais de plantas sobre homeostase do ferro, sinalização de nutrientes e dinâmica redox. Também estão em curso esforços para integrar o nanosensor em sistemas automatizados de gestão de nutrientes para a agricultura hidropónica e baseada no solo e expandir a sua funcionalidade para detectar outros micronutrientes essenciais. Esses avanços visam aumentar a sustentabilidade, a precisão e a eficiência na agricultura.

Para mais informações, entre em contato com Clement Foo em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa ter o JavaScript habilitado para visualizá-lo.