Phát triển cảm biến phát hiện hormone sinh trưởng của thực vật

TS. Khổng Đức Thịnh và các cộng sự đã phát triển cảm biến nano huỳnh quang cận hồng ngoại (NIR) đầu tiên trên thế giới có khả năng phát hiện axit indole-3-acetic (IAA) - hormone auxin hoạt tính sinh học chính kiểm soát sự phát triển, sinh trưởng và phản ứng với căng thẳng của thực vật - theo thời gian thực, không phá hủy và không phân biệt loài.

Nhóm nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Từ trái sang phải: TS.Benny Sng, TS. Khổng Đức Thịnh, và TS. In-Cheol Jang.

Auxin, đặc biệt là IAA, là hormone đóng vai trò trung tâm trong việc điều chỉnh các quá trình quan trọng của thực vật như phân chia tế bào, kéo dài, phát triển rễ và thân, cũng như phản ứng với các tín hiệu môi trường như ánh sáng, nhiệt độ và hạn hán.

Các yếu tố bên ngoài như ánh sáng sẽ ảnh hưởng đến cách auxin di chuyển trong cây, nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến lượng auxin được sản xuất và tình trạng thiếu nước có thể phá vỡ sự cân bằng hormone. Khi cây không thể điều chỉnh auxin hiệu quả, chúng có thể không phát triển tốt, không thích nghi được với điều kiện thay đổi hoặc không sản xuất được nhiều chất dinh dưỡng.

Trong khi đó, các phương pháp phát hiện IAA hiện có - chẳng hạn như sắc ký lỏng - lại đòi hỏi phải lấy mẫu thực vật từ cây - một công đoạn cũng có thể làm tổn hại hoặc mất một phần của cây.

Điều đáng nói là các phương pháp thông thường hiện nay cũng chỉ đo lường tác động của IAA thay vì phát hiện trực tiếp hormone này, đồng thời các phương pháp như vậy cũng không thể sử dụng phổ biến trên nhiều loại cây khác nhau. Bên cạnh đó, do IAA là các phân tử nhỏ không dễ theo dõi theo thời gian thực, các cảm biến sinh học chứa protein huỳnh quang sẽ cần phải được đưa vào bộ gene của cây để đo auxin (giúp phát ra tín hiệu huỳnh quang để chụp ảnh trực tiếp).

Những hạn chế này đã truyền cảm hứng cho TS. Khổng Đức Thịnh và các cộng sự nghiên cứu và cho ra đời cảm biến nano mới có khả năng theo dõi trực tiếp, theo thời gian thực mức auxin trong thực vật sống với độ chính xác cao. Kết quả nghiên cứu về cảm biến mới đây đã được công bố trong bài báo “A Near-Infrared Fluorescent Nanosensor for Direct and Real-Time Measurement of Indole-3-Acetic Acid in Plants” trên tạp chí ACS Nano.

Công trình này có sự tham gia của các nhà nghiên cứu tại nhóm nghiên cứu liên ngành Công nghệ Đột phá & Bền vững cho Nông nghiệp Chính xác (DiSTAP) thuộc Liên minh Nghiên cứu và Công nghệ Singapore-MIT (SMART) - đơn vị nghiên cứu của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) tại Singapore, Phòng Thí nghiệm Khoa học Sự sống Temasek (TLL) và Viện Công nghệ Massachusetts.

Cảm biến sử dụng hình ảnh NIR để theo dõi biến động IAA trên các mô như lá, rễ và lá mầm mà không xâm lấn vào cây, và có khả năng vượt qua sự cản trở của diệp lục để đảm bảo các phép đọc có độ tin cậy cao, ngay cả trong các mô có sắc tố dày đặc.

Mô tả về thiết bị của mình, nhóm nghiên cứu cho biết, cảm biến bao gồm các ống nano carbon thành đơn (SWNT) được bọc trong một loại polymer với thiết kế đặc biệt, cho phép phát hiện IAA thông qua những thay đổi về cường độ huỳnh quang NIR.

“Cảm biến này được xây dựng dựa trên công trình nghiên cứu về công nghệ nano và kỹ thuật CoPhMoRe mà DiSTAP đang tiến hành - vốn đã được sử dụng để phát triển các cảm biến khác có thể phát hiện các hợp chất thực vật quan trọng như gibberellin và hydrogen peroxide”, TS. Khổng Đức Thịnh - nhà nghiên cứu tại DiSTAP và là đồng tác giả thứ nhất của bài báo chia sẻ với Liên minh nghiên cứu và công nghệ Singapore-MIT.

“Bằng cách áp dụng phương pháp trên cho IAA, chúng tôi đang tiếp tục tạo ra và lấp đầy kho công cụ mới phục vụ việc theo dõi sức khỏe thực vật một cách chính xác và không gây tổn hại đến cây trồng. Về lâu dài, các cảm biến này có thể được ghép nối hoặc kết hợp để theo dõi phổ các dấu hiệu sinh trưởng của thực vật nhằm mang lại những hiểu biết sâu sắc hơn về sinh lý thực vật”.

Sau khi phát triển cảm biến, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm thành công thiết bị trên nhiều loài thực vật khác nhau, bao gồm Arabidopsis (một loại cây có hoa nhỏ thuộc họ Cải), Nicotiana benthamiana (cây thuộc chi Thuốc lá), cải ngọt và rau bina. Kết quả cho thấy, cảm biến nano này có thể lập bản đồ phản ứng IAA trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau như bóng râm, ánh sáng yếu và căng thẳng do nhiệt.

Điểm nổi bật trong nghiên cứu mới của nhóm TS. Khổng Đức Thịnh nằm ở chỗ: công nghệ này không yêu cầu biến đổi gene và có thể tích hợp với các hệ thống nông nghiệp hiện có, do đó có thể mang lại một công cụ chính xác có khả năng mở rộng quy mô để thúc đẩy cả việc tối ưu hóa cây trồng và nghiên cứu sinh lý thực vật cơ bản.

Nhờ vào việc đo lường chính xác theo thời gian thực auxin - loại hormone quan trọng đối với sự phát triển và phản ứng với căng thẳng của cây trồng, cảm biến của nhóm TS. Khổng Đức Thịnh hứa hẹn có thể giúp người nông dân có được thông tin chi tiết sớm hơn và chính xác hơn về sức khỏe của cây trồng.

Với những thông tin chi tiết và dữ liệu toàn diện mà cảm biến đem lại, người nông dân có thể đưa ra quyết định thông minh hơn dựa trên dữ liệu đối với việc tưới tiêu, cung cấp chất dinh dưỡng và cắt tỉa theo cách phù hợp với nhu cầu thực tế của cây trồng, từ đó cải thiện sự phát triển của cây, tăng khả năng chống chịu với stress và nâng cao năng suất.

“Chúng ta cần những công nghệ mới để giải quyết các vấn đề về mất an ninh lương thực và biến đổi khí hậu trên toàn thế giới. Auxin là tín hiệu tăng trưởng quan trọng trong thực vật sống, và nghiên cứu này giúp chúng ta khai thác thông tin từ hormone ấy để giúp ích cho người nông dân và các nhà nghiên cứu”, giáo sư Michael Strano - đồng trưởng nhóm nghiên cứu tại DiSTAP và là giáo sư Kỹ thuật Hóa học Carbon P. Dubbs tại MIT - cho biết.

“Có nhiều cách để chúng ta ứng dụng cảm biến này, chẳng hạn như sử dụng để phát hiện sớm tình trạng căng thẳng của cây trồng, từ đó có biện pháp can thiệp kịp thời để bảo vệ cây trồng. Đối với các trang trại trong nhà và ở thành thị - những nơi mà ánh sáng, nước và chất dinh dưỡng đã được kiểm soát chặt chẽ, cảm biến này có thể là một công cụ hữu ích trong việc tinh chỉnh các điều kiện tăng trưởng với độ chính xác cao hơn nhằm tối ưu hóa năng suất và tính bền vững trong nông nghiệp”.

Theo TS. In-Cheol Jang - chủ nhiệm đề tài tại phòng thí nghiệm TLL và là nhà nghiên cứu chính tại DiSTAP, cảm biến nano mới của nhóm nghiên cứu dù nhỏ nhưng có thể giải quyết một thách thức lâu dài trong nông nghiệp: đó là nhu cầu về một công cụ phổ quát, theo thời gian thực và không xâm lấn để theo dõi sức khỏe thực vật ở nhiều loài khác nhau. “Kết quả hợp tác nghiên cứu này không chỉ giúp các nhà khoa học và người nông dân tối ưu hóa các điều kiện tăng trưởng, cải thiện năng suất và khả năng phục hồi của cây trồng, mà còn thúc đẩy sự hiểu biết khoa học về các con đường hormone và tương tác giữa thực vật và môi trường”.

Nhìn về tương lai, nhóm nghiên cứu đang tìm cách kết hợp nhiều nền tảng cảm biến để phát hiện đồng thời IAA và các chất chuyển hóa liên quan nhằm tạo ra hồ sơ truyền tín hiệu hormone toàn diện, mang đến thông tin chi tiết hơn về phản ứng căng thẳng của cây trồng và cải thiện lĩnh vực nông nghiệp chính xác.

Các nhà khoa học tại Liên minh nghiên cứu và Công nghệ Singapore-MIT cũng đang nghiên cứu việc sử dụng các vi kim cho cảm biến cục bộ và đặc hiệu cho từng mô, đồng thời hợp tác với các đối tác trong lĩnh vực nông nghiệp đô thị công nghiệp nhằm chuyển đổi công nghệ này thành các giải pháp thực tế, sẵn sàng áp dụng trên ruộng đồng.

Bài đăng KH&PT số 1348 (số 24/2025)

Khoahocphattrien