MIT研究人员揭示纳米传感器：植物铁实时监测新突破

SMART DiSTAP研发近红外荧光纳米传感器，实现活体植物中二价/三价铁同步检测与区分

来自新加坡-MIT科研联盟（SMART）颠覆性农业精准技术跨学科研究组（DiSTAP）的研究人员，与淡马锡生命科学实验室（TLL）和MIT合作，开发出突破性近红外（NIR）荧光纳米传感器，能在活体植物中同时检测并区分铁的两种形态——Fe(II)和Fe(III)。

铁对植物健康的关键作用

铁对植物健康至关重要，支持光合作用、呼吸作用和酶功能。主要以两种形式存在：Fe(II)易被植物吸收利用；Fe(III)需先转化为Fe(II)才能被有效利用。传统方法仅测总铁，忽略两种形态区别——这是植物营养关键因素。区分Fe(II)和Fe(III)可洞察铁吸收效率、诊断缺乏或毒性、实现精准施肥策略，减少浪费和环境影响，提高作物产量。

首创纳米传感器核心优势

SMART研究人员开发的首创纳米传感器实现铁吸收、转运及形态转化的实时、无损监测，提供精准详细的铁动态观测。高空间分辨率可精确定位植物组织或亚细胞区室中的铁，测量植物内微小铁含量变化——这些变化揭示植物如何应对胁迫和利用养分。

超越传统检测局限

传统检测方法要么有损、要么仅限单一铁形态。新技术支持缺乏诊断和施肥优化。通过识别铁摄入不足或过量，可调整改善植物健康、减少浪费、支持可持续农业。虽在菠菜和小白菜测试，但纳米传感器不限物种，无需基因改造即可应用于多种植物。这增强对不同生态环境铁动态理解，提供植物健康和养分管理全面洞察，成为基础植物研究和农业应用宝贵工具，支持精准养分管理、减少化肥浪费、改善作物健康。

"铁对植物生长发育至关重要，但监测植物铁含量一直是个挑战。这种突破性传感器是首个能在活体植物中实时、高分辨率成像检测Fe(II)和Fe(III)的同类产品。有了这项技术，我们能确保植物获得适量铁，改善作物健康和农业可持续性，"DiSTAP研究科学家、论文共同第一作者Duc Thinh Khong表示。

"通过实现植物铁物种的无损实时追踪，该传感器为理解植物铁代谢及不同铁变体对植物的影响开辟新途径。这种知识将指导开发定制管理方法，提高作物产量和更具成本效益的土壤施肥策略，"TLL研究科学家、共同第一作者Grace Tan表示。

技术原理与CoPhMoRe平台

研究近期发表于《Nano Letters》，题为"允许植物体内时空感应的Fe(II)和Fe(III)纳米传感器"，基于SMART DiSTAP在植物纳米生物学的专长，利用Strano实验室开创的Corona Phase Molecular Recognition（CoPhMoRe）平台。新纳米传感器以负电荧光聚合物包裹单壁碳纳米管（SWNT），形成螺旋冠相结构，与Fe(II)和Fe(III)产生不同相互作用。导入植物组织与铁相互作用时，根据铁类型发射不同NIR荧光信号，实现铁移动和化学变化的实时追踪。

CoPhMoRe技术开发高选择性荧光响应，精准检测铁氧化态。SWNT的NIR荧光提供卓越灵敏度、选择性和组织透明度，最大限度减少干扰，优于传统荧光传感器。该能力允许研究人员使用NIR成像实时追踪铁移动和化学变化。

"该传感器为研究植物代谢、养分转运和胁迫响应提供强大工具。支持优化肥料使用，降低成本和环境影响，促进更有营养作物、更好粮食安全和可持续耕作实践，"TLL高级首席研究员、DiSTAP首席研究员、新加坡国立大学兼职助理教授、共同通讯作者Daisuke Urano教授表示。

"这组传感器让我们获得植物重要信号类型和制造叶绿素所需关键营养素。新工具不仅帮助农民检测营养缺乏，还能获取植物内部特定信息。扩展了我们理解植物对生长环境响应的能力，"DiSTAP联合首席首席研究员、MIT化学工程Carbon P. Dubbs教授、共同通讯作者Michael Strano教授表示。

广阔应用前景

除农业外，该纳米传感器在环境监测、食品安全、健康科学（特别是人类和动物铁代谢、缺铁、铁相关疾病研究）有应用前景。未来研究将利用该纳米传感器推进植物铁稳态、养分信号、氧化还原动力学基础研究。同时努力将纳米传感器集成到水培和土壤农业自动化养分管理系统，扩展功能检测其他必需微量元素。这些进步旨在提升农业可持续性、精准度和效率。

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