Peneliti MIT Mengungkap Nanosensor untuk Pemantauan Zat Besi Secara Real-Time pada Tanaman
Institut Teknologi Massachusetts, Cambridge, MA
Peneliti DiSTAP mengembangkan sensor untuk deteksi dan pemantauan zat besi secara cepat pada tanaman, memungkinkan pertanian presisi dan pengelolaan tanaman berkelanjutan. (Gambar:Milik SMART DiSTAP)
Para peneliti dari kelompok riset interdisipliner Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) dari Aliansi Singapura-MIT untuk Riset dan Teknologi (SMART), perusahaan riset MIT di Singapura, bekerja sama dengan Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) dan MIT, telah mengembangkan sensor nano fluoresen inframerah-dekat (NIR) inovatif yang mampu mendeteksi dan membedakan secara bersamaan bentuk besi — Fe(II) dan Fe(III) — pada tanaman hidup.
Zat besi sangat penting untuk kesehatan tanaman, mendukung fotosintesis, respirasi, dan fungsi enzim. Fe(II) terutama terdapat dalam dua bentuk:Fe(II), yang tersedia bagi tanaman untuk diserap dan digunakan, dan Fe(III), yang terlebih dahulu harus diubah menjadi Fe(II) sebelum tanaman dapat memanfaatkannya secara efektif. Metode tradisional hanya mengukur zat besi total, sehingga tidak dapat membedakan bentuk-bentuk zat besi tersebut – yang merupakan faktor kunci dalam nutrisi tanaman. Membedakan antara Fe(II) dan Fe(III) memberikan wawasan tentang efisiensi penyerapan zat besi, membantu mendiagnosis defisiensi atau toksisitas, dan memungkinkan strategi pemupukan yang tepat di bidang pertanian, mengurangi limbah dan dampak lingkungan sekaligus meningkatkan produktivitas tanaman.
Sensor nano pertama yang dikembangkan oleh para peneliti SMART memungkinkan pemantauan serapan, transportasi, dan perubahan zat besi secara real-time dan non-destruktif di antara berbagai bentuk zat besi – memberikan pengamatan yang tepat dan terperinci terhadap dinamika zat besi. Resolusi spasialnya yang tinggi memungkinkan lokalisasi zat besi secara tepat di jaringan tanaman atau kompartemen subselular, sehingga memungkinkan pengukuran perubahan kecil pada kadar zat besi di dalam tanaman — perubahan yang dapat memberikan informasi bagaimana tanaman menangani stres dan menggunakan nutrisi.
Metode deteksi tradisional bersifat destruktif atau terbatas pada satu bentuk besi saja. Teknologi baru ini memungkinkan diagnosis defisiensi dan optimalisasi strategi pemupukan. Dengan mengidentifikasi asupan zat besi yang tidak mencukupi atau berlebihan, penyesuaian dapat dilakukan untuk meningkatkan kesehatan tanaman, mengurangi limbah, dan mendukung pertanian yang lebih berkelanjutan. Meskipun sensor nano telah diuji pada bayam dan bok choy, sensor ini bersifat agnostik spesies, sehingga memungkinkannya diterapkan pada beragam spesies tanaman tanpa modifikasi genetik. Kemampuan ini meningkatkan pemahaman kita tentang dinamika besi dalam berbagai lingkungan ekologi, memberikan wawasan komprehensif mengenai kesehatan tanaman dan pengelolaan nutrisi. Hasilnya, ini berfungsi sebagai alat yang berharga untuk penelitian tanaman mendasar dan aplikasi pertanian, mendukung pengelolaan unsur hara yang presisi, mengurangi limbah pupuk, dan meningkatkan kesehatan tanaman.
"Zat besi sangat penting bagi pertumbuhan dan perkembangan tanaman, namun memantau kadar zat besi dalam tanaman merupakan sebuah tantangan. Sensor terobosan ini merupakan sensor pertama yang mendeteksi Fe(II) dan Fe(III) pada tanaman hidup dengan pencitraan resolusi tinggi secara real-time. Dengan teknologi ini, kami dapat memastikan tanaman menerima jumlah zat besi yang tepat, sehingga meningkatkan kesehatan tanaman dan keberlanjutan pertanian," kata Duc Thinh Khong, ilmuwan riset DiSTAP dan salah satu penulis utama makalah ini.
"Dengan memungkinkan pelacakan spesiasi besi pada tanaman secara non-destruktif secara real-time, sensor ini membuka jalan baru untuk memahami metabolisme besi tanaman dan implikasi berbagai variasi besi pada tanaman. Pengetahuan tersebut akan membantu memandu pengembangan pendekatan pengelolaan yang disesuaikan untuk meningkatkan hasil panen dan strategi pemupukan tanah yang lebih hemat biaya," kata Grace Tan, ilmuwan riset TLL dan salah satu penulis utama makalah ini.
Penelitian yang baru-baru ini dipublikasikan di Nano Letters dan diberi judul, “Nanosensor untuk Fe(II) dan Fe(III) Memungkinkan Penginderaan Spatiotemporal di Planta,” dibangun berdasarkan keahlian SMART DiSTAP dalam nanobionik tanaman, memanfaatkan platform Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe) yang dipelopori oleh Strano Lab di SMART DiSTAP dan MIT. Sensor nano baru ini menampilkan tabung nano karbon berdinding tunggal (SWNTs) yang dibungkus dengan polimer fluoresen bermuatan negatif, membentuk struktur fase mahkota heliks yang berinteraksi secara berbeda dengan Fe(II) dan Fe(III). Saat dimasukkan ke dalam jaringan tanaman dan berinteraksi dengan besi, sensor memancarkan sinyal fluoresensi NIR yang berbeda berdasarkan jenis besi, sehingga memungkinkan pelacakan pergerakan besi dan perubahan kimia secara real-time.
Teknik CoPhMoRe digunakan untuk mengembangkan respons fluoresen yang sangat selektif, memungkinkan deteksi bilangan oksidasi besi secara tepat. Fluoresensi NIR SWNT menawarkan sensitivitas, selektivitas, dan transparansi jaringan yang unggul sekaligus meminimalkan interferensi, sehingga lebih efektif dibandingkan sensor fluoresen konvensional. Kemampuan ini memungkinkan peneliti melacak pergerakan besi dan perubahan kimia secara real time menggunakan pencitraan NIR.
"Sensor ini menyediakan alat yang ampuh untuk mempelajari metabolisme tanaman, transportasi nutrisi, dan respons terhadap stres. Sensor ini mendukung penggunaan pupuk yang optimal, mengurangi biaya dan dampak lingkungan, serta berkontribusi terhadap tanaman yang lebih bergizi, ketahanan pangan yang lebih baik, dan praktik pertanian berkelanjutan," kata Profesor Daisuke Urano, peneliti utama senior TLL, peneliti utama DiSTAP, asisten profesor di National University of Singapore, dan salah satu penulis makalah ini.
"Serangkaian sensor ini memberi kita akses ke jenis sinyal penting pada tanaman, dan nutrisi penting yang diperlukan tanaman untuk membuat klorofil. Alat baru ini tidak hanya akan membantu petani mendeteksi kekurangan nutrisi tetapi juga memberikan akses ke pesan-pesan tertentu di dalam tanaman. Alat ini memperluas kemampuan kita untuk memahami respons tanaman terhadap lingkungan pertumbuhannya," kata Profesor Michael Strano, salah satu peneliti utama DiSTAP, Profesor Teknik Kimia Carbon P. Dubbs di MIT, dan salah satu penulis makalah tersebut.
Di luar bidang pertanian, sensor nano ini menjanjikan pemantauan lingkungan, keamanan pangan, dan ilmu kesehatan, khususnya dalam mempelajari metabolisme zat besi, defisiensi zat besi, dan penyakit terkait zat besi pada manusia dan hewan. Penelitian di masa depan akan fokus pada pemanfaatan nanosensor ini untuk memajukan studi fundamental tanaman mengenai homeostasis besi, sinyal nutrisi, dan dinamika redoks. Upaya juga sedang dilakukan untuk mengintegrasikan nanosensor ke dalam sistem pengelolaan nutrisi otomatis untuk pertanian hidroponik dan berbasis tanah serta memperluas fungsinya untuk mendeteksi nutrisi mikro penting lainnya. Kemajuan ini bertujuan untuk meningkatkan keberlanjutan, presisi, dan efisiensi di bidang pertanian.
Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Clement Foo di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya..
