到2050年，满足不断增长的人口对粮食和能源的需求将需要作物生产力提高50%以上。提高农业产量的巨大挑战受到非生物和生物胁迫因素的损害，这些胁迫因素会降低作物生长和产量，导致全球作物大量损失。为了应对这一挑战，必须对有限的水资源进行精确管理，有效提供营养物质和杀虫剂。这可以通过开发实时监测植物健康的技术来实现。

2022年12月15日，Nature Nanotechnology (2022 IF :40.5 )杂志在线发表了来自首尔国立大学 Dae Hong Jeong和Seon-Yeong Kwak课题组等合作题为“In vivo surface-enhanced Raman scattering nanosensor for the real-time monitoring of multiple stress signalling molecules in plants”的研究文章。该研究开发了SERS纳米传感器，用于体内多种植物生物分子的光学监测，可以实时检测植物胁迫的发生和胁迫类型。



纳米传感器由涂有聚合物的银纳米壳组成，聚合物可吸引纳米材料表面上的特定植物生物分子。分析物的近红外（NIR）拉曼光信号在纳米传感器表面的热点中被放大。该研究开发的表面增强拉曼光谱（SERS）纳米传感器允许同时无损检测多种植物生物分子，包括水杨酸，生长素和叶酸，具有高信噪比。这些生物分子是植物生长发育的关键调节因子，它们是植物胁迫的早期指标。例如，水杨酸控制保护植物器官免受感染的全身免疫反应。



检测内源性植物信号分子具有挑战性，因为它们在含有许多其他有机化合物的复杂活培养基中的浓度较低。然而，植物生物分子通过非共价键和静电相互作用与SERS纳米传感器表面的优先结合，产生了克服植物背景干扰的强拉曼信号。此外，传感器在活组织相对透明的近红外光学窗口中工作。高信噪比，快速和多路复用地采集来自纳米传感器的SERS信号，可以及早识别活植物中的非生物和生物胁迫类型。为了同时区分多种分析物，应用结合模型来解开各种拉曼光谱成分，并减少评估分析物浓度时的歧义。这种创新的体内实时植物分子传感方法具有无标记多重检测功能，具有来自拉曼光谱的丰富化学信息与纳米颗粒的空间定位和信号增强。



基于纳米技术的方法与物种无关，这使得它们很容易在野生型植物中起作用，而无需进行基因改造。基于纳米技术的植物生物分子多重检测能够对胁迫的发生和类型进行早期诊断。通过使用SERS纳米传感器技术、手持式拉曼光谱仪和多光谱成像工具以及用于自动植物胁迫识别的光谱和算法，用户友好的植物健康监测和化学表型分析可能触手可及。多个纳米传感器的组合，通过拉曼信号的化学特异性来丰富植物生物分子的不同子集，可以进一步推进植物健康监测技术。



米传感器将来自植物胁迫反应的化学信号转换为由拉曼光谱仪记录的SERS光信号。对植物生物分子（如水杨酸、生长素和叶酸）进行多重检测和成像，可以对植物胁迫进行早期诊断。

论文链接：Ihttps://www.nature.com/articles/s41565-022-01274-2