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

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

Des chercheurs de DiSTAP ont développé des capteurs pour la détection et la surveillance rapides du fer dans les plantes, permettant l'agriculture de précision et la gestion durable des cultures.

Une percée dans la détection du fer chez les plantes

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

L'importance du fer sous ses deux formes

Le fer est crucial pour la santé des plantes, soutenant la photosynthèse, la respiration et la fonction enzymatique. Il existe principalement sous deux formes : Fe(II), facilement disponible pour l'absorption et l'utilisation par les plantes, et Fe(III), qui doit d'abord être converti en Fe(II) avant que les plantes ne puissent l'utiliser efficacement. Les méthodes traditionnelles ne mesurent que le fer total, manquant la distinction entre ces formes — un facteur clé de 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 toxicités, et permet des stratégies de fertilisation précises en agriculture, réduisant le gaspillage et l'impact environnemental tout en améliorant la productivité des cultures.

Capacités du nanosenseur innovant

Le nanosenseur first-of-its-kind développé par les chercheurs de SMART permet une surveillance en temps réel, non destructive, de l'absorption, du transport et des changements entre les différentes formes de fer — fournissant 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 la mesure de changements même infimes des niveaux de fer dans les plantes — des changements qui peuvent informer sur la façon dont une plante gère le stress et utilise les nutriments.

Les méthodes de détection traditionnelles sont soit destructives, soit limitées à une seule forme de fer. Cette nouvelle technologie permet le diagnostic des carences et l'optimisation des stratégies de fertilisation. En identifiant une absorption de fer insuffisante ou excessive, des ajustements peuvent être faits pour améliorer la santé des plantes, réduire le gaspillage et soutenir une agriculture plus durable. Bien que le nanosenseur ait été testé sur des épinards et du bok choy, il est agnostique aux espèces, permettant son application sur une gamme diversifiée 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 sert d'outil précieux pour la recherche fondamentale sur les plantes et les applications agricoles, soutenant la gestion précise des nutriments, la réduction du gaspillage d'engrais et l'amélioration de la santé des cultures.

Témoignages des chercheurs

Duc Thinh Khong, scientifique de recherche DiSTAP et co-auteur principal : « Le fer est essentiel pour la croissance et le développement des plantes, mais surveiller ses niveaux dans les plantes a été un défi. Ce capteur révolutionnaire est le premier de son genre à détecter à la fois Fe(II) et Fe(III) dans les plantes vivantes avec imagerie en temps réel à haute résolution. Avec cette technologie, nous pouvons nous assurer que les plantes reçoivent la bonne quantité de fer, améliorant la santé des cultures et la durabilité agricole. »

Grace Tan, scientifique de recherche TLL et co-auteur principal : « En permettant le 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 de fer pour les plantes. De telles connaissances aideront à guider le développement d'approches de gestion sur mesure pour améliorer le rendement des cultures et des stratégies de fertilisation des sols plus rentables. »

Base technologique : plateforme CoPhMoRe

La recherche, récemment publiée dans Nano Letters sous le titre « Nanosenseur pour Fe(II) et Fe(III) permettant la détection spatiotemporelle in planta », s'appuie sur l'expertise établie de SMART DiSTAP en nanobionique végétale, en tirant parti de la plateforme Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe) pionnière du laboratoire Strano à SMART DiSTAP et au MIT. Le nouveau nanosenseur comporte 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). Une fois introduits dans les tissus végétaux et en interaction avec le fer, le capteur émet des signaux de fluorescence NIR distincts selon le type de fer, permettant le suivi en temps réel du mouvement et des changements chimiques du fer.

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, sélectivité et transparence tissulaire supérieures tout en minimisant les interférences, la rendant plus efficace que les capteurs fluorescents conventionnels. Cette capacité permet aux chercheurs de suivre le mouvement et les changements chimiques du fer en temps réel par imagerie NIR.

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

Professeur Michael Strano, co-chercheur principal DiSTAP, professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT, et co-auteur correspondant : « Cet ensemble de capteurs nous donne accès à un type important de signalisation dans les plantes, et un nutriment critique nécessaire aux plantes pour produire de la chlorophylle. Ce nouvel outil n'aidera pas seulement les agriculteurs à détecter les carences en nutriments, mais aussi à accéder à certains messages au sein de la plante. Il élargit notre capacité à comprendre la réponse de la plante à son environnement de croissance. »

Applications au-delà de l'agriculture

Au-delà de l'agriculture, ce nanosenseur promet pour la surveillance environnementale, la sécurité alimentaire et les sciences de la santé, particulièrement dans l'étude du métabolisme du fer, de la carence en fer et des maladies liées au fer chez les humains et les animaux. La recherche future se concentrera sur l'exploitation de ce nanosenseur pour faire progresser les études fondamentales sur l'homéostasie du fer, la signalisation des nutriments et la dynamique redox. Des efforts sont également en cours pour intégrer le nanosenseur dans des systèmes de gestion automatisée des nutriments pour l'agriculture hydroponique et en sol et étendre sa fonctionnalité à la détection d'autres micronutriments essentiels. Ces avancées visent à améliorer la durabilité, la précision et l'efficacité en agriculture.

Pour plus d'informations, contactez Clement Foo à [email protégé].