開發「偷聽」植物的工具

 

小白菜。圖片來源：維基百科

「綠手指」是用來形容很懂得如何照顧植物的人。為什麼會這樣說，無非是因為植物不會說話也沒有表情，所以常常會聽到有人說：昨天它還好好的，今天就死掉了。甚至還有人自封「黑手指」，強調自己與植物何等無緣，每種必死。

不過，植物其實還是有給出一些信號，只是我們人類接收不到罷了。例如有些植物在口渴、被蟲咬時會發出超音波，而幾乎所有（我覺得應該是所有，但是未經驗證的事情不能亂說）植物在感受到壓力時會放出過氧化氫（H₂O₂）與水楊酸（SA）。

麻省理工學院的團隊想到，如果可以實時偵測H₂O₂與SA，不就能即時監測植物是否感受到壓力嗎？

研究團隊以氟苯（fluorene）和二氮雜苯（diazine）為原料，合成了一種可以偵測H₂O₂和SA的聚合物，再把這種聚合物以特製的單壁碳納米管（SWNT）包覆以合成奈米感測器。接著他們使用針筒或微注射器，將奈米感測器溶液注入到植物葉片的胞間空間中。一旦注入植物葉片，奈米感測器會在葉片內分佈開來，使其能夠在植物細胞內實時監測到SA和H₂O₂的濃度變化。由於這個奈米感測器感應到H₂O₂或SA時會發出螢光，所以研究團隊要透過專門的儀器（如近紅外光譜儀）來讀取奈米感測器的信號。

研究團隊使用了小白菜（ Brassica rapa subsp. Chinensis）來進行這個實驗。他們測試了四種壓力：強光、熱、病原體感染、機械傷害。

結果發現：強光與高熱時，螢光信號幾乎是立刻就出現，且H₂O₂與SA幾乎是同時出現（SA慢一點點）。相對的，機械傷害與病原體感染這兩組是H₂O₂先出現螢光信號，SA則慢得多了。事實上，機械傷害要大約兩小時左右才偵測得到SA的出現，但H₂O₂只要5分鐘就出現了；病原體感染則是SA比H₂O₂慢大約10分鐘。

所以，這個實驗證實了植物對不同的刺激有不同的反應；就算只測量H₂O₂與SA兩種指標，應該還是能分出刺激的種類。接下來需要多進行幾次測試，並且擴大測試的物種。一旦能確立植物對不同刺激的不同反應的模式，就可以訓練人工智慧模型來偵測與辨識，幫助我們進行「精準農業」，讓農作物長得更好。

參考文獻：

Ang, M.CY., Saju, J.M., Porter, T.K. et al. Decoding early stress signaling waves in living plants using nanosensor multiplexing. Nat Commun 15, 2943 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47082-1