Bitkilerde Susuzluğu Tespit Etmek İçin Yeni Bir Yöntem Geliştirildi

SMART araştırmacıları tarafından geliştirilen sensörler, bitki ksilemindeki pH değişikliklerini tespit edebiliyor ve çiftçilerin görünür fiziksel semptomlar ortaya çıkmadan 48 saat öncesine kadar kuraklık stresini tespit edebilmesini sağlıyor.

“A new method to detect dehydration in plants by MIT News

Bitkilerinizin kuruyup susuz kaldığını veya yeterince sulamadığınızı hiç merak ettiniz mi? Çiftçiler ve yeşil parmaklı meraklılar yakında bunu gerçek zamanlı olarak bulmanın bir yolunu bulabilirler.

Son on yıldır araştırmacılar çok çeşitli kimyasal bileşikleri tespit etmek için sensörler üzerinde çalışıyorlar ve kritik bir darboğaz, canlı biyolojik sistemlerde kullanılabilen sensörler geliştirmek oldu. Tüm bunlar, canlı bitkilerdeki pH değişimlerini (bitkilerdeki kuraklık stresinin bir göstergesi) tespit edebilen ve kuraklık stresinin geri döndürülemez verim kaybına yol açmadan önce zamanında tespit edilmesini ve yönetilmesini sağlayan Singapur-MIT Araştırma ve Teknoloji İttifakı’nın (SMART) yeni sensörleriyle değişmeye hazır.

Singapur’daki MIT araştırma kuruluşu SMART’ın Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) disiplinlerarası araştırma grubundan araştırmacılar, Temasek Life Sciences Laboratory ve MIT ile iş birliği yaparak, fizyolojik pH değişikliklerinin bitki içinde tespiti için ipek fibroin (SF) mikroiğnelerine entegre edilmiş dünyanın ilk kovalent organik çerçeve (COF) sensörlerine öncülük ettiler. Bu gelişmiş teknoloji, bitki ksilem dokularındaki asitlikteki azalmayı tespit ederek, geleneksel yöntemlerden 48 saate kadar bitkilerde kuraklık stresi konusunda erken uyarı sağlayabilir.

Kuraklık — veya su eksikliği — önemli bitki metabolik yollarını etkileyerek, yaprak boyutunu, gövde uzamasını ve kök çoğalmasını azaltarak daha düşük verime yol açan önemli bir stres faktörüdür. Uzun sürerse, sonunda bitkilerin renginin değişmesine, solmasına ve ölmesine neden olabilir. İklim değişikliği, artan maliyetler ve arazi alanı eksikliği gibi tarımsal zorluklar artmaya ve ürün üretimini ve verimini olumsuz etkilemeye devam ettikçe, çiftçiler genellikle erken ve zamanında müdahale için proaktif önlemler veya semptom öncesi tanı uygulayamıyor. Bu, tarımsal uygulamalarda canlı değerlendirmeleri ve zamanında müdahaleleri kolaylaştırabilecek gelişmiş sensör entegrasyonuna olan ihtiyacı vurguluyor.

“Bu tür sensörler bitkiye kolayca takılabilir ve basit enstrümantasyonla sorgulanabilir. Bu nedenle, DISTAP içinde geliştirdiğimiz araçlar gibi güçlü analizleri hem çiftçilerin hem de araştırmacıların eline ulaştırabilir,” diyor eş-yazışma yazarı, DiSTAP eş-baş araştırmacısı ve MIT’de Karbon P. Dubbs Kimya Mühendisliği Profesörü Profesör Michael Strano.

SMART’ın atılımı, şimdiye kadar biyolojik dokularla etkileşime giremeyen COF tabanlı sensörler için uzun süredir devam eden bir zorluğa değiniyor. COF’ler, hidrojen, oksijen veya azot gibi elementlere bağlı karbon atomları içeren ve farklı pH seviyelerine göre renk değiştiren tutarlı, kristal benzeri yapılara yerleştirilmiş organik molekül veya polimer ağlarıdır. Kuraklık stresi bitki dokularındaki pH seviyesi değişiklikleriyle tespit edilebildiğinden, bu yeni COF tabanlı sensör, bitki ksilem dokularındaki pH seviyelerinin gerçek zamanlı ölçümü yoluyla bitkilerde kuraklık stresinin erken tespit edilmesini sağlar. Bu yöntem, çiftçilerin değişen iklim kalıpları ve çevre koşulları arasında ürün üretimini ve verimini optimize etmelerine yardımcı olabilir.

Bitkilerde Susuzluğu Tespit Etmek İçin Yeni Bir Yöntem Geliştirildi

“COF-ipek sensörleri, iklim değişikliği, sınırlı kaynaklar ve karbon ayak izini azaltma ihtiyacı gibi zorlukların getirdiği zorluklar altında küresel gıda güvenliğini artırmaya çalışan bir dünyada tarımı daha hassas hale getirmek için gereken yeni araçlara bir örnek sunuyor. Nanosensörler ve biyomalzemeler arasındaki kusursuz entegrasyon, bitki sıvılarının pH gibi temel parametrelerinin zahmetsizce ölçülmesini sağlıyor ve bu da bitki sağlığını izlememizi sağlıyor,” diyor DiSTAP’ta yardımcı yazar, baş araştırmacı ve MIT’de inşaat ve çevre mühendisliği doçenti olan Profesör Benedetto Marelli.

Nature Communications’da yakın zamanda yayınlanan “Kromatik Kovalent Organik Çerçeveler Canlıda Kimyasal Tomografiyi Etkinleştiriyor” başlıklı açık erişimli bir makalede, DiSTAP araştırmacıları bitki dokularındaki pH değişikliklerinin gerçek zamanlı tespitini gösteren çığır açıcı çalışmalarını belgelediler. Önemli bir şekilde, bu yöntem yalnızca bir akıllı telefon kamerası kullanılarak bitki dokularındaki pH seviyelerinin canlı 3B haritalanmasına izin verir ve daha yavaş ve daha yıkıcı geleneksel optik yöntemlere kıyasla daha önce erişilemeyen ortamları keşfetmek için minimal invaziv bir yaklaşım sunar.

DiSTAP araştırmacıları, ayarlanabilir asit kromizmini (değişen pH seviyeleriyle ilişkili renk değişimleri) sergileyen dört COF bileşiği tasarladı ve sentezledi. Bu bileşiklerden yapılmış bir COF film tabakasıyla kaplanmış SF mikroiğneleri. Buna karşılık, SF mikroiğnelerinin ve COF filminin şeffaflığı, pH’a duyarlı renklerdeki değişiklikler yoluyla pH mekansal dağılımlarının canlı canlı gözlemlenmesine ve görselleştirilmesine olanak tanır.

“Gıda bozulmasını algılayabilen biyolojik olarak parçalanabilir COF-SF filmleriyle ilgili önceki çalışmalarımıza dayanarak, bitki dokularındaki pH değişikliklerini tespit etmek için bir yöntem geliştirdik. Bitkilerde kullanıldığında, COF bileşikleri ksilem dokularındaki pH arttıkça koyu kırmızıdan kırmızıya dönüşecek ve bu da bitkilerin kuraklık stresi yaşadığını ve verim kaybını önlemek için erken müdahale gerektiğini gösterecektir,” diyor SMART DiSTAP’ta araştırma bilimcisi ve ortak ilk yazar Song Wang.

“SF mikroiğneleri sağlamdır ve biyolojik dokularla etkileşime girdiğinde bile stabil kalacak şekilde tasarlanabilir. Ayrıca şeffaftırlar ve bu da minimal invaziv bir şekilde çok boyutlu haritalama yapılmasına olanak tanır. COF filmleriyle eşleştirilen çiftçiler artık bitki sağlığını gerçek zamanlı olarak izlemek ve kuraklık gibi zorlukları daha iyi ele almak ve ürün dayanıklılığını artırmak için hassas bir araca sahipler,” diyor SMART DiSTAP’ta kıdemli doktora sonrası araştırmacı ve ortak ilk yazar Yangyang Han.

Bu çalışma, COF tabanlı sensörlerle bitkilerin COF-SF mikroiğne tabanlı tomografik kimyasal görüntülemesi için gelecekteki tasarım ve geliştirmenin temelini oluşturuyor. Bu araştırmayı temel alarak, DiSTAP araştırmacıları, bitki hormonları ve metabolitler gibi biyolojik olarak ilgili analitlerin geniş bir spektrumunu algılamaya odaklanarak, bu yenilikçi teknolojiyi pH tespitinin ötesine taşımak için çalışacaklar.

Araştırma, SMART tarafından yürütülmekte ve Singapur Ulusal Araştırma Vakfı tarafından Araştırma Mükemmelliği ve Teknolojik Girişim Kampüsü programı kapsamında desteklenmektedir.

by Singapur-MIT Araştırma ve Teknoloji İttifakı | MIT News