Οι βιοαισθητήρες είναι μετρητικές συσκευές που χρησιμοποιούν οργανικά υλικά για την ανίχνευση και τον ποσοτικό προσδιορισμό της παρουσίας συγκεκριμένων ενώσεων ή μορίων. Οι συσκευές αυτές έχουν φέρει επανάσταση στον τομέα της διάγνωσης και της παρακολούθησης ασθενειών, τόσο στην ιατρική όσο και στον γεωργικό τομέα. Οι ασθένειες των φυτών, που προκαλούνται από παθογόνα όπως βακτήρια, ιοί και μύκητες, αποτελούν σημαντική απειλή για την απόδοση των καλλιεργειών και την ασφάλεια των τροφίμων παγκοσμίως.
Η δομή των βιοαισθητήρων για την ανίχνευση ασθενειών των φυτών έχει αναπτυχθεί με τη χρήση διαφόρων οργανικών υλικών, συμπεριλαμβάνοντας αντισώματα, πρωτεΐνες, νουκλεϊκά οξέα, ένζυμα ακόμη και ολόκληρα κύτταρα. Αυτοί οι βιοαισθητήρες μπορούν να ανιχνεύσουν την παρουσία συγκεκριμένων φυτοπαθογόνων αναγνωρίζοντας τα μοναδικά βιομόριά τους ή ανιχνεύοντας την αντίδραση του φυτού ξενιστή στη μόλυνση. Η χρήση βιοαισθητήρων για την ανίχνευση ασθενειών των φυτών προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις παραδοσιακές μεθόδους ανίχνευσης, όπως η ταχεία ανίχνευση, η υψηλή ευαισθησία, και ειδικότερα η δυνατότητα ταυτόχρονης ανίχνευσης πολλαπλών παθογόνων.
Το παθογόνο Phytophthora infestans, ο υπαίτιος παράγοντας του περονόσπορου των γεώμηλων, είναι ένα από τα πιο καταστροφικά φυτοπαθογόνα, που επηρεάζει τόσο την καλλιέργεια της πατάτας όσο και της τομάτας. Είναι γνωστό πως η πατάτα προσβάλεται από αυτόν τον μύκητα εδώ και αιώνες, προκαλώντας τεράστιες οικονομικές απώλειες καθώς και ιστορικά έχει απασχολήσει σημαντικά την παγκόσμια ασφάλεια τροφίμων, με βασικότερο παράδειγμα τον μεγάλο λιμό της Ιρλανδίας. Ο ωομύκητας προσβάλει επιπλέον σε μεγάλο βαθμό και την τομάτα, ενώ παράλληλα και για τις δύο καλλιέργειες προκαλεί ετησίες οικονομικές απώλειες που ξεπερνούν τα 6 δις δολάρια σε παγκόσμια κλίμακα.
Η καταστροφική αυτή ασθένεια αποτελεί τεράστια απειλή για τον αγροδιατροφικό τομέα, ενώ η διάγνωσή της στα αρχικά στάδια της ασθένειας παραμένει πρόκληση καθώς δεν είναι ακόμα ορατά τα συμπτώματα. Η έγκαιρη ανίχνευση του παθογόνου αποτελεί απαραίτητη προυπόθεση για την παρεμπόδιση της εξάπλωσης της ασθένειας. Μάλιστα, οι αλλοιώσεις που παρατηρούνται στα φύλλα του ξενιστή είναι ορατά μέσα σε τέσσερις μέρες από την μόλυνση.
Οι παραδοσιακές μέθοδοι ανίχνευσης του παθογόνου Phytophthora infestans περιλαμβάνουν την οπτική επιθεώρηση των φυτών και εργαστηριακές μεθόδους, όπως την βιοχημική μέθοδο ELISA και την αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR). Ωστόσο, αυτές οι μέθοδοι μπορεί να είναι χρονοβόρες, δαπανηρές και να μην ανιχνεύουν το παθογόνο όταν βρίσκεται σε χαμηλά επίπεδα. Χάρη στην εξέλιξη της τεχνολογίας έχει επιτευχθεί η δημιουργία διαφόρων βιοαισθητήρων για την έγκαιρη ανίχνευση του παθογόνου.
Πρόσφατα ερευνητές του Εβραϊκού Πανεπιστημίου της Ιερουσαλήμ ανέπτυξαν ένα νέο σύστημα βιοαισθητήρων σε συνδυασμό με την χρήση γενετικής μηχανικής για την ανίχνευση του παθογόνου Phytophthora infestans, στην καλλιέργεια της πατάτας και της τομάτας. Συγκεκριμένα, μέσω μεθόδων γενετικής μηχανικής, κατάφεραν να παράξουν νέες ποικιλίες πατάτας οι οποίες έχουν το πλεονέκτημα να παράγουν κάποιες φθορίζουσες πρωτεΐνες. Οι πρωτεΐνες αυτές στέλνονται στα μέρη του φυτού όπου πραγματοποιείται η φωτοσύνθεση, στους χλωροπλάστες, ενώ μάλιστα λειτουργούν οι ίδιες σαν αισθητήρες. Ουσιαστικά μέσω της ανάλυσης εικόνων οι οποίες καταγράφουν την παρουσία αυτών των πρωτεϊνών στα μέρη του φυτού κατάφεραν να παρακολουθήσουν την φυσιολογική κατάσταση του φυτού καθ’όλη την πορεία της μόλυνσης. Ειδικότερα η παρουσία των κηλίδων όπου υπάρχει προσβολή από το παθογόνο είναι ιδιαίτερα εμφανείς κατά την μετάβαση από το φως στο σκοτάδι, όπως φαίνεται και στην εικόνα (1). Παράλληλα, δημιουργήθηκε ένας αλγόριθμος με την χρήση της τεχνητής νοημοσύνης, ο οποίος έχει την ικανότητα να αναλύει αυτές τις εικόνες διακρίνοντας τα μολυσμένα φύλλα από τα υγιή.
H ανάπτυξη αυτών των βιοαισθητήρων δίνει το προβάδισμα για τον εντοπισμό της ασθένειας σε πολύ πρώιμα στάδια, από την δεύτερη κιόλας ημέρα όταν ακόμα τα συμπτώματα δεν είναι ορατά. Ωστόσο δεν ήταν αυτό το μοναδικό όφελος της έρευνας. Οι ερευνητές παρατήρησαν πως οι περιοχές οι οποίες έχουν μολυνθεί από το παθογόνο εμφανίζουν αυξημένη φωτοσυνθετική δραστηριότητα, με αυξημένη απόδοση του φωτοσυστήματος PSII, γεγονός που υποδηλώνει πως το παθογόνο αρχικά βελτιώνει την παραγωγικότητα των φύλλων, στα πρώτα στάδια της μόλυνσης πρωτού προβεί στην καταστροφή τους με στόχο την κάλυψη την ανάπτυξής του.
Εικόνα(1): Φυτά πατάτας μολυσμένα από το παθογόνο Phytophthora infestans. Στην πρώτη στήλη απεικονίζοναι τα φυτά με RGB, στην δεύτερη στήλη τα φυτά προσαρμοσμένα στο φως(L-R405/465) και στην τρίτη στήλη η μετάβαση από το φως στο σκοτάδι (D-R405/465).
Βιβλιογραφία
1) Dyussembayev, K., Sambasivam, P., Bar, I., Brownlie, J. C., Shiddiky, M. J. A., & Ford, R. (2021). Biosensor Technologies for Early Detection and Quantification of Plant Pathogens. Frontiers in Chemistry, 9. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fchem.2021.636245
2) Hipsch, M., Michael, Y., Lampl, N., Sapir, O., Cohen, Y., Helman, D., & Rosenwasser, S. (2023). Early detection of late blight in potato by whole-plant redox imaging. The Plant Journal, 113(4), 649–664. https://doi.org/10.1111/tpj.16071
3) Khater, M., de la Escosura-Muñiz, A., & Merkoçi, A. (2017). Biosensors for plant pathogen detection. Biosensors and Bioelectronics, 93, 72–86. https://doi.org/10.1016/j.bios.2016.09.091
4) Kirschner, G. K. (2023). It’s never too soon to detect late blight infection in potatoes. The Plant Journal, 113(4), 647–648. https://doi.org/10.1111/tpj.16120
