in , ,

Bitkileriniz yalnızca bir telefon uzağınızda!

MIT bünyesinde çalışan kimya mühendisleri, bitki yapraklarına gömülebilen ve hidrojen peroksit değerlerini ölçerek meydana gelen hasarı ortaya çıkaran bir sensör tasarladı. Bu sensörün yaydığı sinyaller yakınlardaki bir akıllı telefona gönderilebilir. PhotoCredit: Felice Frankel

Yapraklara gömülü karbon nanotüpler, bir bitki hasar gördüğünde üretilen kimyasal sinyalleri algılar.

MIT’deki Mühendisler, bitkilerin, ışık hasarı, enfeksiyon ve yaralanma gibi stres kaynaklarına nasıl tepki verdiğini yakından takip etmek için karbon nanotüplerden yapılmış sensörleri kullandılar. Bu sensörler, hidrojen peroksit sinyal dalgalarını raporladıkları bitki yapraklarına gömülebilir.

Bitkiler, hasarı onarmaya veya böcekler gibi yırtıcı hayvanlardan kurtulmalarına yardımcı olacak bileşikler üretmeleri için uyarıcı bir tehlike sinyali gönderip yaprakları arasındaki iletişimi sağlarlar ve bu eylemi hidrojen peroksit (H2O2) kullanarak gerçekleştirirler. Bu yeni sensörler, farklı stres türlerini ve farklı bitki türlerini ayırt etmek için hidrojen peroksit sinyallerini kullanabilir.

MIT’de kimya mühendisliği dalında Carbon P. Dubbs profesörü olan Michael Strano, “Bitkiler, ilk defa gözlemleyebildiğimiz, çok gelişmiş bir iç iletişim şekline sahipler. Bu, gerçek hayatta, canlı bir bitkinin tepkisini ve deneyimlediği stres türünü iletişini görebilmemiz anlamına geliyor.” dedi.

Reklam

Bu tür bir sensör, bitkilerin farklı stres türlerine nasıl tepki verdiğini incelemek için kullanılabilir ve potansiyel olarak tarım bilimcilerinin mahsul verimlerini iyileştirmek için yeni stratejiler geliştirmelerine yardımcı olur. Araştırmacılar, ıspanak, çilek ve roka da dahil olmak üzere sekiz farklı bitki türünde yaklaşımlarını gösterdiler ve daha birçok alanda çalışabileceğine inanıyorlar.

Nature Plants dergisinde yayınlanan bu çalışmada üzerinde çalışılan bitkiler ise şu şekilde belirtilmiştir: yaban pazısı olarak bilinen Blitum capitatum, bir çeşit marul olan Lactuca sativa, bir çeşit roka olan Eruca sativa, ıspanak olarak bilinen Spinacia oleracea, kuzu kulağı olarak bilinen Rumex acetosa ve son olarak fare kulağı teresi olarak bilinen Arabidopsis thaliana.

Strano, bugün Nature Plants‘da yayınlanan araştırmanın kıdemli yazarıdır. MIT yüksek lisans öğrencisi Tedrick Thomas Salim Lew ise makalenin baş yazarıdır.

Reklam

Gömülü Sensörler

Son birkaç yıldır Strano’nun laboratuvarı, bitkilere ışık yayan veya su kıtlıklarını tespit etme gibi yeni işlevleri olan nanomalzemeler içeren nanobiyonik bitkilerin geliştirilmesi hususu üzerinde araştırmalar yapıyor. Yeni çalışmasında, bitkilerin sağlık durumu hakkında rapor verecek sensörleri dahil etmeye başladı.

Strano daha önce hidrojen peroksit de dahil olmak üzere çeşitli molekülleri tespit edebilen karbon nanotüp sensörleri geliştirmişti. 3 yıl önce Lew, bu sensörleri bitki yapraklarına dahil etme çalışmalarına başladı. Genellikle bitkilerin moleküler çalışmaları için kullanılan Arabidopsis thaliana üzerindeki çalışmalar, bitkilerin bir sinyal molekülü olarak hidrojen peroksit kullanabileceğini ortaya çıkartmıştı ancak kesin rolü belirsizdi.

Lew, sensörleri, bitki yapraklarına dahil etmek için LEEP (Eng: lipid exchange envelope penetration) adı verilen bir yöntem kullandı. Strano’nun laboratuvarının birkaç yıl önce geliştirdiği LEEP, bitki hücre zarlarına nüfuz edebilen nanoparçacıkların tasarımına olanak sağlar. Lew, karbon nanotüp sensörlerini yaprağa gömmek için çalışırken, tesadüfi bir keşif yaptı.

Bununla ilgili olarak Lew, “Tekniğe (LEEP) alışmak için kendimi eğitiyordum ve çalışmaların sırasında yanlışlıkla bir bitkiye zarar verdim. Ardından hidrojen peroksit sinyalinin bu evrimini gördüm.” dedi.

Bir yaprak hasar aldıktan sonra yaralı bölgeden salınan hidrojen peroksitin, nöronların beynimizdeki elektriksel uyarıları iletme şekline benzer bir şekilde, yaprak üzerinde yayılan bir dalga oluşturduğunu gördü. Bir bitki hücresi hidrojen peroksit saldığında, bitişik hücreler içindeki kalsiyum salınımını tetikler, bu da bu hücreleri daha fazla hidrojen peroksit salmaya teşvik eder.

Reklam

Strano bununla ilgili olarak, “Bu da aynı domino taşlarının düşmesi gibi, hidrojen peroksitin kendi başına çok daha büyük alanlara yayılmasını sağlayan bir dalga yaratır.” ve “Dalganın kendisi, ona maruz kalan ve yayan hücreler tarafından güçlendirilir.” dedi.

Bu hidrojen peroksit seli, hücreleri, hasarı onarmalarına yardımcı olan flavonoidler veya karotenoidler gibi ikincil metabolitler olarak adlandırılan molekülleri üretmeye teşvik eder. Bazı bitkiler aynı zamanda avcıları savuşturmak için salgılanan başka ikincil metabolitler de üretirler. Bu metabolitler genellikle yenilebilir bitkilerimizde arzu ettiğimiz gıda aromalarının kaynağıdır ve sadece stres altında üretilirler.

Yeni algılama tekniğinin önemli bir avantajı, birçok farklı bitki türünde kullanılabilmesidir. Geleneksel olarak, bitki biyologları moleküler biyoloji araştırmalarının çoğunu Arabidopsis thaliana ve tütün bitkileri de dahil olmak üzere genetik manipülasyona uygun bazı bitkilerde yapmışlardır. Bununla birlikte, yeni MIT yaklaşımı potansiyel olarak her bitkiye uygulanabilir.

Strano bununla ilgili olarak, “Bu çalışmada 8 bitki türünü hızlıca karşılaştırdık, bunu eski tip araçlarla yapamazsınız.” dedi.

Araştırmacılar yaban pazısını, ıspanağı, marulu, rokayı, fare kulağı teresini ve kuzu kulağını test ettiler ve farklı türlerin farklı dalga biçimleri ürettiğini gördüler —hidrojen peroksit konsantrasyonunun zaman içinde haritalanmasıyla ortaya çıkan ayırt edici şekil. Araştırmacılar, her bitkinin cevabının hasara karşı koyma becerisi ile ilişki olduğunun hipotezini kurdular. Bu çalışmaya göre, her türün, mekanik yaralanma, enfeksiyon, ısı veya ışık hasarı gibi farklı stres türlerine farklı tepki verdiği görülmektedir.

Strano bununla ilgili olarak, “Bu dalga biçimi, her tür için çok fazla bilgi barındırıyor ve daha da heyecan verici olanı, belirli bir bitki üzerindeki stres türünün bu dalga biçimde kodlanmış olması.” dedi ve “Bir bitkinin, hemen hemen her yeni ortamda deneyimlediği gerçek zamanlı tepkiyi görebilirsiniz.” diye de ekledi.

Stres Tepkisi

Sensörler tarafından üretilen yakın kızılötesi ışınım, akıllı telefonun içindeki bilgisayara benzer, kredi kartı büyüklüğünde 35 dolarlık bir mini bilgisayar olan Raspberry Pi’ye bağlı küçük bir kızılötesi kamera kullanılarak görüntülenebilir. Strano bununla ilgili olarak, “Sinyali yakalamak için çok ucuz aletler kullanılabilir,” dedi.

Bu teknoloji için uygulamalar, farklı bitki türlerinin mekanik hasara, ışığa, ısıya ve diğer stres türlerine direnme yetenekleri açısından taranmasını içerir ve aynı zamanda, farklı türlerin, narenciye yeşillenmesine sebep olan bakteri, Candidatus liberibacter spp., ve kahve pasına neden olan mantar, Hemileia vastatrix, gibi patojenlere karşı nasıl tepki verdiğini araştırmak için de kullanılabilir.

Strano bununla ilgili olarak, “Yapmakla ilgilendiğim şeylerden biri, bazı bitki türleri bu patojenlere karşı mutlak bir bağışıklık sergilerken diğerlerinin neden hiçbir eylemde bulunmadığıdır.” dedi.

Strano, Tarımsal Hassasiyet için Yıkıcı ve Sürdürülebilir Teknoloji MIT-Singapur Araştırma ve Teknoloji İttifakı’nda disiplinlerarası araştırma grubu (SMART)’ndaki iş arkadaşları ve MIT’in Singapur’daki araştırma kuruluşu da bitkilerin kentsel çiftliklerdeki farklı büyüme koşullarına nasıl tepki verdiği ile alakalı çalışmayla ilgileniyorlardı.

Ele almayı umdukları bir başka sorun ise, birbirine çok yakın büyüyen veyahut büyüdükten sonra birbirlerinin ışığını kapatan bitkilerde görülen bir davranış olan gölge kaçınmasıdır. Bu tür bitkiler, stres kaynaklı bir refleks mekanizması olarak kaynaklarını mahsulleri yerine, daha da uzun olabilmek adına boylarını uzatmak için kullanmaktadır. Bu, toplam mahsul verimini düşürmektedir. Bu yüzden ziraat mühendisleri bu durumdan kurtulmak amacıyla bitkiler üzerinde zirai müdahaleler ile ilgili çalışmalar yapmaktadır.

Strano, “Sensörümüz, bu stres sinyalini yakalamamızı, gölge kaçınması (Eng: Shade Avoidance) karşısında aşağı ve yukarı yönde verdiği tepkileri, bu olayın altında yatan koşulları ve bitki mekanizmasını tam olarak anlamamızı sağlıyor.” dedi.

Reklam

Bu araştırma, Singapur Ulusal Araştırma Vakfı; Singapur Bilim, Teknoloji ve Araştırma Organı (A*STAR) ve ABD Enerji Hesaplamalı Bilimler Yüksek Lisans Burs Programı tarafından finanse edilmiştir.

Kaynaklar ve İleri Okuma: