Bacterial network for precise plant stress detection and enhanced crop resilience
- 作者
- Shakeel Ahmed, Syed Muhammad Zaigham Abbas Naqvi, Muhammad Awais, Yongzhe Ren, Hao Zhang, Junfeng Wu, Linze Li, Vijaya Raghavan, Jiandong Hu
- 单位
- College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; Henan International Joint Laboratory of Laser Technology in Agriculture Sciences, Zhengzhou 450002, China; College of Agronomy, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science, Zhengzhou 450002, China; Department of Bioresource Engineering, Faculty of Agriculture and Environmental Studies, McGill University, Sainte-Anne-de-Bellevue, QC H9X 3V9, Canada
- 杂志
- BMC Bioinformatics（2025）
- DOI
- 10.1186/s12859-025-06082-8
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
植物胁迫激素脱落酸（ABA）的检测面临灵敏度低、响应时间长、依赖外部激发光源及在体应用受限等挑战，现有生物传感器多为荧光或光谱法，难以实现植物体内实时、低成本、免外部供电的精准监测。
研究策略
利用基因工程改造的大肠杆菌（E. coli）作为分子收发器，表达植物ABA受体PYR1及其诱导的生物发光模块，通过模拟细菌在根、茎、叶中的扩散、平流与趋化运动，建立数学模型和MATLAB仿真，系统评估检测时间、运动速度及响应性能。
核心内容
该研究提出了一种基于工程化大肠杆菌的植物胁迫检测新策略，将细菌介导的分子通信与脱落酸（ABA）传感相结合，用于作物逆境早期诊断。研究者以大肠杆菌为底盘，表达植物ABA受体PYR1及luxCDABE生物发光模块，并借助luxI/luxR群体感应系统实现信号放大，使其无需外部激发光源即可自发光示踪。通过建立涵盖扩散、平流和趋化运动的偏微分方程模型，在MATLAB中模拟细菌于根、茎、叶内的动态行为。模拟结果显示，工程菌对ABA的平均检测响应时间为431.52秒，根际内化约需1220.12秒；木质部流速为0.54 mm/s时细菌运动速度可达21.65 μm/s，而无平流条件下仅0.866 μm/s；趋化运动平均位移约4.76 μm。该模型证明工程菌可在植物不同组织中迁移并产生明显的趋化响应，为开发低成本、免供电、可自我增殖的农业生物传感器提供了新范式，也为后续基于AI的传感器优化奠定了基础。
创新点
['首次将细菌介导的分子通信与植物ABA胁迫检测结合，提出无需外部激发光源的自发光生物传感器', '采用PYR1受体与群体感应（luxI/luxR）调控的萤光素酶系统，实现高亲和力ABA检测与信号放大', '利用平流、扩散和趋化偏微分方程模拟细菌在植物不同组织中的动态行为，使模型更贴近真实环境', '设计具有自复制能力的细菌传感器，降低成本和功耗，适用于田间和远程监测']
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli (E. coli) | ABA信号通路 | PYR1 | PYR1受体 | 调控 | 植物ABA受体，识别ABA并触发下游信号转导，形成PYR1-ABA-PP2C复合物 |
| Escherichia coli (E. coli) | 生物发光通路 | luxCDABE | 萤光素酶 | 催化 | 负责合成生物发光酶和底物，催化产生不依赖外部激发光源的光信号 |
| Escherichia coli (E. coli) | 群体感应通路 | luxI, luxR | LuxI/LuxR蛋白 | 调控 | 群体感应系统，LuxI合成信号分子，LuxR作为转录调节因子控制生物发光基因表达 |
| Escherichia coli (E. coli) | ABA信号通路 | PP2C | 蛋白磷酸酶2C (PP2C) | 调控 | 与PYR1形成共受体复合物，降低配体解离速率，增强ABA结合表观亲和力约100倍 |
| Escherichia coli (E. coli) | ABA信号通路 | SnRK2 | SNF1相关蛋白激酶2 (SnRK2) | 调控 | ABA信号通路下游关键激酶，被激活后启动胁迫响应基因表达 |
关键发现
- 模拟结果表明，工程菌对ABA的检测平均响应时间为431.52秒
- 细菌通过根际吞噬过程内化到植物根部的平均时间约1220.12秒
- 在茎部存在平流（木质部流速0.54 mm/s）时细菌运动速度可达21.65 μm/s，而无平流时仅为0.866 μm/s
- 叶片多孔介质中天冬氨酸有效扩散系数在1.2142×10^-10至3.56×10^-10 m^2/s之间
- 细菌趋化运动约移动4.76 μm，速度约1.0×10^-9 m/s，平均用时460秒
- 吸引剂最大浓度达1 mol/m^3（2秒后），跑动/翻滚相时间分别为1.25秒/0.75秒。
研究结论
所提出的基于工程化E. coli-PYR1的生物传感器模型能够高效检测ABA，平均响应时间431.52秒，可在根、茎、叶中运动并显示趋化响应，结合生物发光与群体感应机制，为植物胁迫早期诊断提供了一种低成本、免外部电源、可自我增殖的农业生物传感器新范式，未来可通过深度学习与AI进一步优化设计。