Американские ученые создали «умный патч» для растений, который в реальном времени обнаруживает стресс, измеряя уровень перекиси водорода — ключевого маркера, сигнализирующего о болезнях, засухе или атаке вредителей. Новое устройство крепится к листьям и менее чем за минуту предоставляет точные данные, что позволит фермерам оперативно реагировать на угрозы и предотвратить потери урожая. Исследование опубликовано в журнале ACS Sensors .
Растения тоже могут испытывать стресс — если речь не о психоэмоциональном напряжении, а о физиологической реакции при изменениях условий среды. Причинами могут стать, например, патогены, экстремальные температуры или нехватка воды. В ответ их клетки вырабатывают перекись водорода, которая не только повреждает живые ткани, но и служит сигналом для запуска защитных механизмов растения. Своевременное обнаружение этого соединения могло бы помочь спасти урожай, однако традиционные методы подразумевают повреждение частей растения, многоступенчатую обработку или использование дорогостоящего оборудования. Существующие датчики, работа которых основана на отслеживании изменений флуоресценции, часто дают неточные результаты из-за помех, вызванных присутствием хлорофилла. В новом исследовании ученые решили создать компактный сенсор, который бы работал прямо на живом листе и при этом не повреждал его.
© 2025 The Authors. Published by American Chemical Society
Команда специалистов разработала патч на гибкой основе с большим числом микроигл из полиуретана. Каждая игла высотой 700 микрон (тоньше человеческого волоса) в таком устройстве покрыта гидрогелем на основе хитозана — природного биополимера, совместимого с тканями растений. В гидрогель добавили восстановленный оксид графена для проводимости и фермент пероксидазу хрена, который вступает в реакцию с перекисью водорода. Когда растение испытывает стресс, концентрация H₂O₂ в его листьях растет, что вызывает изменение электрического тока в сенсоре. Устройство крепится к нижней стороне листа, иглы проникают в ткань, а данные передаются на портативный анализатор. Для проверки точности работы устройства ученые заразили соевые и табачные растения бактерией Pseudomonas syringae, вызывающей пятнистость листьев, и сравнили их показатели со здоровыми образцами.
В результате патч зафиксировал резкий скачок тока у зараженных растений: у табака уровень H₂O₂ вырос с 0,9 до 10,7 микромоль через 24 часа после заражения, у сои — с 0,56 до 2,1 микромоль. Измерения заняли менее одной минуты, а погрешность составила менее 10% по сравнению с лабораторными методами, такими как флуоресцентный анализ Amplex Red. Сенсор показал высокую чувствительность — 14,7 мкА/мкМ — и работал даже при низких концентрациях H₂O₂ (от 0,1 мкМ). Кроме того, устройство многоразовое — патч можно использовать до девяти раз, прежде чем микроиглы потеряют форму. Для сравнения: классическое окрашивание 3,3′-диаминобензидином (DAB) выявило скопление перекиси в листьях, но не позволило точно измерить ее количество, а флуоресценция в сое оказалась в 100 раз слабее фоновых помех.
«Мы можем проводить прямые измерения менее чем за минуту и менее чем за доллар за тест, — сообщает Лян Дун из Университета Айовы. — Этот прорыв значительно упростит анализ, и фермеры смогут использовать наш датчик для мониторинга болезней сельскохозяйственных культур в режиме реального времени».
Новая технология позволит фермерам оперативно выявлять признаки болезни, корректировать интенсивность полива или вносить удобрения до появления видимых повреждений. Ученые планируют совершенствовать устройство сенсора, увеличивать срок его службы и расширять функционал для одновременного мониторинга других маркеров — например, уровня нитратов или летучих органических соединений. Подключение новейшей разработки с датчиками почвы и климата к единой сети поможет создать систему раннего предупреждения факторов стресса, что может значительно повысить урожайность сельскохозяйственных культур.
Автор: Богдан Скиба.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
