Biosensorer övervakar växters välmående i realtid

11 februari 2021

Anders Ryttarson Törneholm

Forskare vid Linköpings universitet har utvecklat biosensorer som gör det möjligt att övervaka sockernivåerna i växters vävnad i realtid – något som hittills inte varit möjligt. Informationen från sensorerna skulle kunna hjälpa jordbruket att anpassa produktionen för att klara klimatförändringarna.

Chiara Diacci installerar en biosensor i växthuset på labbet för elektroniska växter. — Chiara Diacci, doktorand vid Laboratoriet för organisk elektronik, är huvudförfattare av artikeln som nu publiceras i iScience. Här sätter hon in biosensorn i en ung aspplanta. THOR BALKHED

Majoriteten av jordens befolkning livnär sig i första hand på växter som också utgör basen för hela det ekosystem vi är beroende av. Samtidigt blir vi fler människor och snabba klimatförändringar ändrar förutsättningarna för odling och jordbruk.

– Vi måste säkerställa tillgången på mat de kommande decennierna. Och det måste vi göra med samma, eller till och med mindre resurser än i dag. Därför är det viktigt att förstå hur växter reagerar på, och anpassar sig till förändringar i livsmiljön, säger Eleni Stavrinidou, biträdande professor vid Laboratoriet för organisk elektronik på institutionen för teknik och naturvetenskap vid Linköpings universitet, LiU.

Sensorer som mäter socker

Forskargruppen vid LiU, ledd av Eleni Stavrinidou, har tillsammans med Totte Niittyläs forskargrupp vid Umeå Plant Science Centre, utvecklat sensorer som är baserade på organiska elektrokemiska transistorer. Biosensorerna kan implanteras i växter och kontinuerligt mäta sockernivån i upp till två dagar för att ge information om tillväxt och andra biologiska processer. Socker är energikällan i växter, men också viktiga signalsubstanser som påverkar utveckling och växtens respons på förändringar i livsmiljön.

Biosensor implanterad i stammen på en växt. Sensorn är baserad på organiska elektrokemiska transistorer. Foto THOR BALKHEDBiosensorer som håller koll på sockernivån hos människor finns redan på marknaden i form av blodsockermätare som främst används av diabetiker. Men samma typ av teknik har hittills inte tillämpats på växter.

– Just nu används sensorerna för grundforskning på växter men i framtiden kan de användas inom jordbruket för att optimera förutsättningarna för tillväxt eller övervaka kvalitén på produkten. På sikt kan informationen också användas för att ta fram nya växtslag som växer under icke-optimala förhållanden, säger Eleni Stavrinidou.

Växternas mysterium klarnar

Regleringen av växternas ämnesomsättning och hur sockernivåernas variation påverkar tillväxten är fortfarande relativt okänt. Tidigare försök har gjorts med metoder där delar av växten skärs bort för att undersökas. Men med hjälp av den nyutvecklade biosensorn kan forskarna få information utan att skada växten och därmed lägga ytterligare en bit till pusslet om växternas ämnesomsättning.

– I våra försök hittade vi en variation i sockernivåer hos träd som inte hade observerats tidigare. Framtida studier kommer fokusera på att försöka förstå hur växternas sockernivå ändras när de utsätts för förändringar i livsmiljön, säger Eleni Stavrinidou.

Projektet finansierades av EU:s ramprogram Horizon 2020 samt Wallenberg Wood Science Center, Stiftelsen för Strategisk Forskning, Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vetenskapsrådet och via den svenska strategiska satsningen på nya funktionella material, AFM, som bedrivs vid Linköpings universitet.

Fotnot: Växten som används i försöken är aspplantor (Populus tremula).

Artikeln: Diurnal in Vivo Xylem Sap Glucose and Sucrose Monitoring Using Implantable Organic Electrochemical Transistor Sensors Chiara Diacci, Tayebeh Abedi, Jeewoong Lee, Erik O. Gabrielsson, Magnus Berggren, Daniel T. Simon, Totte Niittylä, Eleni Stavrinidou iScience 2020 doi: 10.1016/j.isci.2020.101966

Biosensorer för mätning av sockernivå

Med hjälp av biosensorn kan forskarna få information om växternas välmående genom att mäta nivåerna av socker i växtens vävnad.

Närbild på minidator som behandlar informationen från sensorerna. — Minidatorn behandlar informationen från biosensorn. THOR BALKHED

Närbild på sensorn. — Biosensorn mäter sockernivån i växtens kärlsystem, även kallat xylem och floem. THOR BALKHED

Elektronik ligger på arbetsbänk bredvid växter. — Försöken görs i växthus på Campus Norrköping. THOR BALKHED

Forskning på högsta nivå

Avancerade funktionella material - AFM

Avancerade funktionella material, AFM, är en interdisciplinär forskningsmiljö som bedriver forskning inom avancerade funktionella material. Initiativet baseras på en satsning från regeringen med strategiska forskningsområden som grund.

Fler nyheter från AFM

Forskare håller tygbit framför ansiktet.

Snart blir dina kläder extramuskler

Textila muskler är ett ungt forskningsfält. På sikt kan tekniken byggas in i kläder som kan ge en extra boost vid tunga lyft, ge kramar på distans och hjälpa synskadade navigera i stadsmiljö.

Nästa generations hållbara elektronik dopas med luft

Forskare vid LiU har utvecklat en ny metod där organiska halvledare kan bli mer ledande med hjälp av luft som störämne. Enligt forskarna är det ett stort steg mot framtidens billiga och hållbara organiska halvledare.

Miljövänligt och billigt batteri för låginkomstländer

Ett batteri gjort av zink och lignin som kan användas över 8000 gånger. Det har forskare vid LiU utvecklat med visionen att det billiga och hållbara batteriet ska kunna användas i länder där tillgången på elektricitet är begränsad.

Laboratoriet för Organisk Elektronik

Vid Laboratoriet för organisk elektronik, LOE, forskar och utvecklar vi komponenter och system som utnyttjar elektroniska och optiska funktioner i organiska molekyler och plaster.

Senaste nytt från LiU

Närbild på små bitar av lever i en petriskål.

Levern kan förutspå spridning av cancer i bukspottskörteln

Mikroskopiska förändringar i levern kan användas till att förutse hur bukspottkörtelcancer kommer att sprida sig. Upptäckten kan bidra till nya sätt att förutsäga sjukdomsförloppet och förebygga spridning till andra organ.

Den otekniska flickan är en myt

Flickor i årskurs 3 är fulla av självförtroende och intresse för teknik. Ett par år senare har de tappat allt. I sin doktorsavhandling vid Linköpings universitet undersöker Ulrika Sultan orsakerna.

Hon vill få robotar att uppföra sig bättre

Forskaren Hannah Pelikan tror att vi kommer att få se ökade konflikter mellan människor och robotar i framtiden. I sin forskning filmar hon vardagliga möten mellan människa och maskin för att se vad som händer.