In natürlichen Umgebungen sind Pflanzen biotischen und abiotischen Belastungen ausgesetzt, die ihre Produktivität und Gesundheit erheblich beeinträchtigen können. Forscher haben die Bedeutung einer rechtzeitigen Stressdiagnose erkannt und verschiedene Sensoren und Geräte entwickelt, um Pflanzenhormone, Schwermetallreaktionen und das Eindringen von Krankheitserregern zu erkennen.
Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf miR399, eine microRNA, die für die Phosphathomöostase in Pflanzen von entscheidender Bedeutung ist und als allgemeiner Biomarker für die Erkennung von Phosphormangel dienen könnte. Trotz der Verfügbarkeit verschiedener miRNA-Nachweismethoden wie Northern Blot, Microarray und Echtzeit-PCR sind diese Methoden oft zeitaufwändig und komplex. Die Entwicklung der Mikrofluidik-Technologie für Point-of-Care-Anwendungen (POC) verspricht einen schnellen, einfachen und empfindlichen miRNA-Nachweis und könnte möglicherweise die Diagnose und das Management von Pflanzenstress revolutionieren.
Allerdings gibt es immer noch Herausforderungen bei der Anpassung dieser Technologien für den weit verbreiteten landwirtschaftlichen Einsatz, was den Bedarf an weiterer Forschung verdeutlicht, um diese Diagnosewerkzeuge für die Präzisionslandwirtschaft zugänglicher und effektiver zu machen.
Im März 2024, Pflanzenphänomik veröffentlicht ein Forschungsartikel mit dem Titel „Mikrofluidisches Gerät zur einfachen Diagnose des Pflanzenwachstumszustands durch Nachweis von miRNAs aus gefilterten Pflanzenextrakten.“
Um das Problem der Identifizierung von microRNAs (miRNAs) in Pflanzen anzugehen, wurde ein neuartiges mikrofluidisches Gerätesystem entwickelt. Das System konzentriert sich auf die Erkennung von miR399, einem Biomarker für Phosphormangelstress. Das Gerät nutzte Mikroflusskanäle zur Immobilisierung von DNA auf Glasoberflächen und erleichterte so die Schaffung von DNA-sondierten Bereichen für den miRNA-Nachweis durch Sandwich-Hybridisierung.
Die Methode erkannte künstlich synthetisiertes miR399c und demonstrierte die hohe Spezifität des Geräts bei der Identifizierung des Vorhandenseins von miRNA, selbst bei niedrigen Konzentrationen. Weitere Experimente bestätigten die Wirksamkeit des Geräts beim Nachweis von miR399c in Tomatenblattextrakten. Verbesserungen wurden durch den Einsatz von RNase-Inhibitoren, DTT-Puffer und Größenfraktionsfiltration zur Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit erzielt.
Nachfolgende Studien erweiterten die Anwendung des Geräts zum Nachweis endogener miRNAs in Tomaten und zeigten einen Anstieg der sly-miR399-Expression unter Phosphormangelbedingungen. Die Studie demonstrierte das Potenzial des Geräts für eine schnelle und genaue Stressdiagnose in landwirtschaftlichen Umgebungen und betonte seine Benutzerfreundlichkeit und die Möglichkeit eines frühzeitigen Eingreifens in die Pflanzenbewirtschaftung.
Die Fähigkeit des Mikrofluidikgeräts, Phosphormangelstress bei Tomaten durch den Nachweis der sly-miR399-Expression zu diagnostizieren, wurde in Kultivierungsexperimenten weiter demonstriert. Diese Experimente zeigten, dass das Gerät Phosphormangel effektiv erkennen und so rechtzeitige Anpassungen der Nährstoffversorgung ermöglichen konnte, um Wachstumsstörungen vorzubeugen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung und Anwendung dieses mikrofluidischen Geräts einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Pflanzenphänomik darstellt. Es bietet ein praktisches Hilfsmittel zur Früherkennung von Nährstoffmangelstress. Die Einfachheit, Genauigkeit und das Potenzial des Geräts für die Point-of-Care-Diagnose unterstreichen seinen Wert für die Förderung einer nachhaltigen Landwirtschaft und Präzisionslandwirtschaft, indem es ein frühzeitiges Eingreifen und fundierte Entscheidungen zum Anbaumanagement erleichtert.
Mehr Informationen:
Yaichi Kawakatsu et al., Mikrofluidisches Gerät zur einfachen Diagnose des Pflanzenwachstumszustands durch Nachweis von miRNAs aus gefilterten Pflanzenextrakten, Pflanzenphänomik (2024). DOI: 10.34133/plantphenomics.0162