人类世界因一场大流行病而步履蹒跚的同时，有几种正在发生的流行病影响着农作物，使全球粮食生产处于危险之中。 橘子、橄榄和香蕉在许多地区已经受到威胁，因为这些疾病影响植物的循环系统，而且无法通过施用杀虫剂来治疗。
麻省理工学院的工程师们开发的一种新方法可能为向遭受这种疾病侵害的植物提供救命治疗提供一个起点。
这些疾病很难及早发现和治疗，因为缺乏精确的工具来获取植物脉管系统来治疗病原体和采集生物标志物。 麻省理工学院的研究小组决定将精准医学中涉及到的一些原理应用于人类，并将其应用于开发植物特异性生物材料和药物输送装置。
这种方法使用一系列由丝基生物材料制成的微针，将营养物质、药物或其他分子输送到植物的特定部位。 麻省理工学院教授 Benedetto Marelli 和 Jing-Ke-Weng，研究生 Yunteng Cao，麻省理工学院博士后 Eugene Lim 和白石研究中心生物医学研究的博士后 Menglong Xu 在《先进科学》杂志上发表了一篇论文，描述了这些发现。
这种微针，研究人员称之为植物注射器，可以制成各种大小和形状，可以将物质特别地输送到植物的根、茎或叶，或者进入植物的木质部(参与从根到冠层的水分运输的维管组织)或韧皮部(在植物中循环的维管组织)。
在实验室测试中，研究小组使用了西红柿和烟草植物，但他们说，该系统可以适用于几乎任何作物。 这种微针不仅可以向植物输送有效载荷的分子，还可以用来从植物中提取样本进行实验室分析。
马雷利说，这项工作是为了回应美国农业部关于如何解决柑橘绿化危机的请求而开始的，这场危机正威胁着一个90亿美元产业的崩溃。
这种疾病是由一种叫做亚洲柑橘木虱的昆虫传播的，它携带一种细菌进入植物体内。 到目前为止还没有治愈的方法，数百万英亩的美国果园已经被摧毁。 作为回应，Marelli 的实验室开始开发这种新颖的微针技术，这项技术由曹先生领导，作为他的论文项目。
马雷利解释说，这种疾病感染整株植物的韧皮部，包括根部，传统的治疗方法很难达到这些部位。 大多数杀虫剂只是简单地喷洒或涂抹在植物的叶子或茎上，很少渗透到根系。 这种治疗方法可能在短期内有效，但随后细菌会反弹并造成损害。 我们需要的是一种能够针对在植物组织中循环的韧皮部的东西，这种韧皮部可以携带一种抗菌化合物到植物的根部。 他说，这正是一些新型微针有可能实现的目标。
“我们想要解决的技术问题是如何精确地获得植物的维管系统，”曹道。 这将允许研究人员注射杀虫剂，例如，将在根系和叶子之间运输。 他说，目前的方法使用的是“非常大而且非常具有侵略性的针叶，这会导致植物受到损害。”。 为了找到一种替代品，他们在先前使用丝基材料生产注射人类疫苗的微针的基础上再接再厉。
Lim 说: “我们发现，由于维管组织系统中液体成分的不同，人体药物输送设计的材料对植物的适应性并不兼容。”人类使用的微针是为了在人体液体环境自然降解，但是植物可利用的水分要少得多，所以这种材料不能溶解，不能将农药或其他大分子输送到韧皮部。 研究人员不得不设计一种新材料，但他们决定坚持以丝为基础。 这是因为丝的强度，它在植物中的惰性(防止不良副作用) ，以及它降解成微小颗粒，不会有堵塞植物内部维管组织系统。
他们使用生物技术工具来增加蚕丝的亲水性(使其吸水) ，同时保持这种材料足够强大，能够穿透植物的表皮，并且足够可降解，然后避开蚕丝。
果然，他们在实验室的西红柿和烟草植株上测试了这种材料，并且能够观察到注入的材料，在这种情况下，荧光分子，沿着植株从根部到叶子的所有方向移动。
“我们认为这是一种新的工具，可以被植物生物学家和生物工程师用来更好地理解植物中的运输现象，”曹说。 此外，它还可以用于“向植物体内输送有效载荷，这可以解决一些问题。 例如，你可以考虑输送微量营养素，或者你可以考虑输送基因，改变植物的基因表达，或者基本上改造一种植物。”
“现在，植物注射剂实验室的兴趣已经超越了抗生素的输送，扩展到基因工程和疾病病灶靶点，” Lim 补充说。
例如，在他们的烟草实验中，他们利用农杆菌介到植株转化来改变植物DNA---- 一种典型的生物工程工具，但是以一种新的、精确的方式传递。
到目前为止，它是一种精密设备的实验室技术，它不会用于农业大规模使用，但希望它可以用于，例如，生物工程抗病品种的重要作物。 研究小组还利用一种安装在小型无人机上的改进型玩具镖枪进行了测试，该靶枪能够将微型针头射入田间植物中。 马雷利说，最终，这样一个过程可能使用自动车辆实现自动化，用于农业规模。
同时，研究小组继续努力使系统适应不同种类植物及其组织的不同需要和条件。 “它们之间的差异很大，真的，”马雷利说，所以你需要考虑使用植物特有的设备。 在未来，我们的研究兴趣将超越抗生素输送到基因工程和基于代谢产物采样的病灶诊断。”
Yunteng Cao, Eugene Lim, Menglong Xu, Jing‐Ke Weng, Benedetto Marelli. Precision Delivery of Multiscale
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