Des chercheurs du MIT dévoilent un nanocapteur pour la surveillance du fer en temps réel dans les plantes

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

Les chercheurs de DiSTAP ont développé des capteurs pour la détection et la surveillance rapides du fer dans les plantes, permettant ainsi une agriculture de précision et une gestion durable des cultures. (Image :avec l'aimable autorisation de SMART DiSTAP)

Des chercheurs du groupe de recherche interdisciplinaire Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) de l'Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie (SMART), l'entreprise de recherche du MIT à Singapour, en collaboration avec le Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) et le MIT, ont développé un nanocapteur fluorescent révolutionnaire dans le proche infrarouge (NIR) capable de détecter et de différencier simultanément les formes de fer - Fe(II) et Fe(III) - dans les plantes vivantes.

Le fer est essentiel à la santé des plantes, car il soutient la photosynthèse, la respiration et la fonction enzymatique. Il existe principalement sous deux formes :Fe(II), qui est facilement disponible pour que les plantes puissent l'absorber et l'utiliser, et Fe(III), qui doit d'abord être converti en Fe(II) avant que les plantes puissent l'utiliser efficacement. Les méthodes traditionnelles ne mesurent que le fer total, sans faire la distinction entre ces formes – un facteur clé dans la nutrition des plantes. La distinction entre Fe(II) et Fe(III) fournit des informations sur l'efficacité de l'absorption du fer, aide à diagnostiquer les carences ou les toxicités et permet des stratégies de fertilisation précises dans l'agriculture, réduisant ainsi les déchets et l'impact environnemental tout en améliorant la productivité des cultures.

Le premier nanocapteur en son genre développé par les chercheurs SMART permet une surveillance non destructive en temps réel de l'absorption, du transport et des changements entre ses différentes formes de fer, fournissant ainsi des observations précises et détaillées de la dynamique du fer. Sa haute résolution spatiale permet une localisation précise du fer dans les tissus végétaux ou les compartiments subcellulaires, permettant ainsi de mesurer des changements même infimes dans les niveaux de fer dans les plantes — changements qui peuvent éclairer la façon dont une plante gère le stress et utilise les nutriments.

Les méthodes de détection traditionnelles sont soit destructrices, soit limitées à une seule forme de fer. Cette nouvelle technologie permet de diagnostiquer les carences et d'optimiser les stratégies de fertilisation. En identifiant un apport insuffisant ou excessif en fer, des ajustements peuvent être apportés pour améliorer la santé des plantes, réduire les déchets et soutenir une agriculture plus durable. Bien que le nanocapteur ait été testé sur des épinards et du bok choy, il est indépendant de l'espèce, ce qui lui permet d'être appliqué à un large éventail d'espèces végétales sans modification génétique. Cette capacité améliore notre compréhension de la dynamique du fer dans divers contextes écologiques, fournissant des informations complètes sur la santé des plantes et la gestion des nutriments. En conséquence, il constitue un outil précieux à la fois pour la recherche fondamentale sur les plantes et les applications agricoles, soutenant une gestion précise des nutriments, réduisant le gaspillage d'engrais et améliorant la santé des cultures.

"Le fer est essentiel à la croissance et au développement des plantes, mais surveiller ses niveaux dans les plantes a été un défi. Ce capteur révolutionnaire est le premier du genre à détecter à la fois le Fe(II) et le Fe(III) dans les plantes vivantes avec une imagerie haute résolution en temps réel. Grâce à cette technologie, nous pouvons garantir que les plantes reçoivent la bonne quantité de fer, améliorant ainsi la santé des cultures et la durabilité agricole", a déclaré Duc Thinh Khong, chercheur scientifique chez DiSTAP et co-auteur principal de l'article.

"En permettant un suivi non destructif en temps réel de la spéciation du fer dans les plantes, ce capteur ouvre de nouvelles voies pour comprendre le métabolisme du fer des plantes et les implications des différentes variations du fer pour les plantes. Ces connaissances aideront à guider le développement d'approches de gestion adaptées pour améliorer le rendement des cultures et des stratégies de fertilisation des sols plus rentables", a déclaré Grace Tan, chercheuse scientifique au TLL et co-auteure de l'article.

La recherche, récemment publiée dans Nano Letters et intitulée « Nanosensor for Fe(II) and Fe(III) Allowing Spatiotemporal Sensing in Planta », s'appuie sur l'expertise établie de SMART DiSTAP en nanobionique végétale, en tirant parti de la plateforme de reconnaissance moléculaire de phase Corona (CoPhMoRe) lancée par le laboratoire Strano de SMART DiSTAP et du MIT. Le nouveau nanocapteur comprend des nanotubes de carbone à paroi unique (SWNT) enveloppés dans un polymère fluorescent chargé négativement, formant une structure de phase corona hélicoïdale qui interagit différemment avec Fe(II) et Fe(III). Lors de son introduction dans les tissus végétaux et de son interaction avec le fer, le capteur émet des signaux de fluorescence NIR distincts basés sur le type de fer, permettant un suivi en temps réel du mouvement du fer et des changements chimiques.

La technique CoPhMoRe a été utilisée pour développer des réponses fluorescentes hautement sélectives, permettant une détection précise des états d'oxydation du fer. La fluorescence NIR des SWNT offre une sensibilité, une sélectivité et une transparence tissulaire supérieures tout en minimisant les interférences, ce qui la rend plus efficace que les capteurs fluorescents conventionnels. Cette capacité permet aux chercheurs de suivre le mouvement du fer et les modifications chimiques en temps réel grâce à l'imagerie NIR.

"Ce capteur fournit un outil puissant pour étudier le métabolisme des plantes, le transport des nutriments et les réponses au stress. Il permet une utilisation optimisée des engrais, réduit les coûts et l'impact environnemental, et contribue à des cultures plus nutritives, à une meilleure sécurité alimentaire et à des pratiques agricoles durables", a déclaré le professeur Daisuke Urano, chercheur principal principal du TLL, chercheur principal de DiSTAP, professeur adjoint adjoint à l'Université nationale de Singapour et co-auteur correspondant de l'article.

"Cet ensemble de capteurs nous donne accès à un type important de signalisation dans les plantes et à un nutriment essentiel nécessaire à la production de chlorophylle par les plantes. Ce nouvel outil aidera non seulement les agriculteurs à détecter les carences en nutriments, mais également à donner accès à certains messages au sein de la plante. Il élargit notre capacité à comprendre la réponse des plantes à leur environnement de croissance", a déclaré le professeur Michael Strano, co-chercheur principal de DiSTAP, professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT et co-auteur correspondant de l'article.

Au-delà de l’agriculture, ce nanocapteur est prometteur pour la surveillance environnementale, la sécurité alimentaire et les sciences de la santé, notamment dans l’étude du métabolisme du fer, de la carence en fer et des maladies liées au fer chez l’homme et l’animal. Les recherches futures se concentreront sur l’exploitation de ce nanocapteur pour faire progresser les études fondamentales des plantes sur l’homéostasie du fer, la signalisation des nutriments et la dynamique redox. Des efforts sont également en cours pour intégrer le nanocapteur dans les systèmes automatisés de gestion des nutriments pour l’agriculture hydroponique et basée sur le sol et pour étendre ses fonctionnalités pour détecter d’autres micronutriments essentiels. Ces avancées visent à améliorer la durabilité, la précision et l'efficacité de l'agriculture.

Pour plus d'informations, contactez Clément Foo à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le visualiser..