MIT、植物がストレスを感じると通知するナノセンサーを開発

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Image: Felice Frankel

マサチューセッツ工科大学(MIT)は、カーボンナノチューブのセンサーを利用し、植物がダメージを受けたときに発生する過酸化水素のシグナル伝達波を、リアルタイムで検知する技術を開発した。

ナノセンサーを植物の葉に埋め込むことで、傷害や感染症、光などのストレスに対する生きた植物の反応を追跡する。ストレスや植物の種類を区別できるため、その植物が経験している特定のストレスを知ることが可能だ。シグナルは、スマートフォンに画像として送ることができる。研究成果は、『nature plants』誌に2020年4月15日付で掲載されている。

植物は、過酸化水素を利用して葉の内部で情報を伝達し、葉の細胞を刺激して、損傷の修復や捕食者からの防御に役立つ化合物生成のためのシグナルを発信している。

今回開発した技術は、研究者のミスからの偶然の発見が関与したという。研究チームはこれまでに、過酸化水素水を含むさまざまな分子を検出できるカーボンナノチューブセンサーを開発してきた。ある研究者が、脂質交換エンベロープ浸透(LEEP)と呼ばれる手法を用いて植物の葉にセンサーを組み込もうとしたとき、誤って植物に傷をつけてしまった。

その際に、葉の傷ついた場所から過酸化水素が放出され、隣接する細胞内でのカルシウム放出を誘導し、それが刺激となって細胞でより多くの過酸化水素が放出される現象が観察された。ドミノ倒しのように過酸化水素のシグナルは伝播していく。さらに過酸化水素の大量放出により、二次代謝産物と呼ばれるフラボノイドやカロテノイドなどが産生され、植物細胞のダメージ修復を助ける。

今回の研究では、イチゴ、ホウレンソウ、ルッコラなど8種類の植物で、植物種によって過酸化水素濃度の経時的変化が異なり、特徴的な波形を作り出すことを明らかにした。また、機械的損傷、感染症、熱や光による損傷など、ストレスの種類によっても異なる反応を示すことも分かった。

研究チームは、実証した8種以外の植物でも応用できると考えている。また、この技術はさまざまなストレスに対して耐性のある植物のスクリーニングや、特定の病原体や生育条件の違いに対してどのように反応するかの研究に応用できるとしている。

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Nanosensor can alert a smartphone when plants are stressed
Real-time detection of wound-induced H2O2 signalling waves in plants with optical nanosensors

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