식물 패치는 실시간으로 스트레스 신호를 감지할 수 있다

환경 조건은 식물에 해로운 스트레스를 줄 수 있으며, 가정 정원사와 농부에게 어려움을 안겨줍니다. 따라서 잎이 눈에 띄게 변색되거나 시들거나 시들기 전에 조기에 감지하는 것이 중요합니다. 이제 ACS Sensors 에 보고한 연구자들은 식물에 착용할 수 있는 패치를 만들어 스트레스를 빠르게 감지하고 재배자에게 정보를 전달합니다. 이 전기화학 센서는 살아있는 식물 잎에 직접 부착되어 주요 고통 신호인 과산화수소를 모니터링합니다.

해충, 가뭄, 극한 기온 및 감염은 모두 식물에 스트레스를 유발합니다. 이에 따라 식물의 정상적인 생화학이 균형을 잃고 과산화수소를 생성하는데, 이는 세포 간의 신호 역할을 하여 방어 메커니즘을 활성화합니다.

이 화학적 단서를 조기에 감지하면 사람들이 식물 관리를 전문적으로 조정하고 추가 피해를 방지하여 어려운 조건에서도 작물 수확량을 극대화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 과산화수소를 감지하는 대부분의 현재 방법은 식물 부분을 제거하고 여러 처리 단계 또는 형광 변화를 관찰하는 외부 감지기를 필요로 하며, 이는 엽록소에 의해 혼란스러울 수 있습니다.

그리고 연구자들은 이전에 식물 건강의 지표로 잎의 수분 함량을 모니터링하는 식물 착용형 장치를 조사했습니다. 그래서 Liang Dong과 동료들은 살아있는 식물의 과산화수소 고통 신호를 빠르고 정확하게 감지하는 독립형 패치를 설계하기 시작했습니다.

잎 아랫부분에 붙는 패치를 만들기 위해 연구자들은 유연한 바닥에 미세한 플라스틱 바늘을 배열했습니다. 이 패턴 표면에 그들은 키토산 기반 하이드로겔 혼합물을 코팅하여 과산화수소의 작은 변화를 측정 가능한 전류 차이로 전환했습니다. 이 혼합물에는 과산화수소와 반응하여 전자를 생성하고 환원된 그래핀 산화물을 통해 이 전자를 센서로 전달하는 효소가 들어 있었습니다.

연구자들은 살아 있는 건강한 대두와 담배 식물에 패치를 테스트하고 스트레스를 받은 박테리아 감염 식물과 비교했습니다. 그들은 다음을 발견했습니다.

• 박테리아 병원균인 Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 에 감염된 두 작물 모두에서, 센서는 건강한 잎보다 스트레스를 받은 잎에서 더 많은 전류를 생성했으며, 전류 수준은 존재하는 과산화수소의 양과 직접적으로 관련이 있었습니다.
• 센서의 과산화수소 측정 결과는 정확했으며, 기존 실험실 분석을 통해 확인되었습니다.
• 약 1분 후, 패치를 통해 측정된 잎의 과산화수소 수치는 살아 있는 식물을 대상으로 한 바늘형 센서에서 이전에 보고된 수치보다 상당히 낮은 것으로 나타났습니다.
• 미세한 바늘이 형태를 잃을 때까지 패치는 9번이나 재사용될 수 있었습니다.

새로운 전략은 재배자가 작물에 대한 결정을 효율적으로 내리는 데 도움이 될 수 있는 정보를 제공합니다. "우리는 테스트당 1달러도 안 되는 비용으로 1분 이내에 직접 측정을 할 수 있습니다."라고 Dong은 말합니다. "이 획기적인 발전은 분석을 상당히 간소화하여 농부가 실시간 질병 작물 모니터링에 패치 센서를 사용하는 것을 실용적으로 만들 것입니다."

그리고 연구자들은 연구를 계속 발전시키는 데 흥분하고 있습니다. "다음 단계는 기술을 개선하고 재사용성을 향상시키는 것입니다."라고 Dong은 결론지었습니다.

저자는 아이오와 주립 대학, 미국 농무부 산하 국립 식량 농업 연구소, 그리고 미국 국립 과학 재단의 연구비 지원에 감사드립니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250319143425.htm