尽管人类世界正从一场大流行中摆脱出来，但仍有数种持续的流行病正在影响农作物，并使全球粮食生产面临风险。桔子，橄榄和香蕉已经在许多地区受到威胁，原因是疾病会影响植物的循环系统，无法通过使用农药进行治疗。

麻省理工学院的工程师开发的新方法可能为为遭受此类疾病侵袭的植物提供挽救生命的治疗方法提供了一个起点。

由于缺乏进入植物脉管系统以治疗病原体和取样生物标记物的精密工具，这些疾病很难及早发现和治疗。麻省理工学院的研究小组决定采用人类精密医学所涉及的一些原理，并使它们适应发展特定于植物的生物材料和药物输送装置。

该方法使用由基于丝绸的生物材料制成的微针阵列将营养素，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，麻省理工学院的博士后尤金(Eugene Lim)和怀特海德生物医学研究所的博士后的徐梦龙在《高级科学》杂志上发表了这些发现。

研究人员称这种微针为植物注射剂，可以制成各种尺寸和形状，并且可以将物质专门递送至植物的根，茎或叶，或递送至木质部(从根部到根部的水分运输所涉及的维管组织)。冠层)或韧皮部(在整个植物中循环代谢产物的维管组织)。他们说，在实验室测试中，研究小组使用了番茄和烟草植物，但是该系统几乎可以适应任何作物。微针不仅可以将目标分子的有效负载传递到植物中，而且还可以用于从植物中提取样品进行实验室分析。

Marelli说，这项工作是应美国农业部的要求而提出的，该要求涉及如何解决柑橘绿化危机的想法，该危机正威胁着一个价值90亿美元的产业的崩溃。这种疾病是通过一种称为亚洲柑橘木虱的昆虫传播的，该昆虫将细菌带入植物。目前尚无治愈方法，数百万英亩的果园已经遭到破坏。作为回应，Marelli的实验室全力以赴，开发了由Cao领导的新型微针技术的论文项目。

Marelli解释说，该病感染了整个植物的韧皮部，包括根部，而用任何常规治疗都很难达到。大多数农药只需喷洒或涂在植物的叶子或茎上，很少渗入根系。此类治疗可能会在短时间内起作用，但随后细菌会反弹并造成伤害。所需要的是能够靶向通过植物组织循环的韧皮部，从而将抗菌化合物带入根部的东西。他说，这正是某些新型微针可能实现的功能。

“我们想解决一个技术问题，即如何才能精确访问植物的脉管系统，” Cao补充说。例如，这将使研究人员可以注入农药，这些农药可以在根系和叶片之间运输。他说，目前的方法使用的“针非常大且非常具有侵入性，并且会导致植物的损坏”。为了找到替代品，他们在以前的工作基础上进行了研究，该工作使用基于丝绸的材料注射人疫苗生产了微针。

Lim说：“我们发现，设计用于人体药物传递到植物的材料并非易事，这不仅是因为组织脉管系统的差异，还在于流体成分的差异。”设计用于人类的微针旨在在体内的水分中自然生物降解，但是植物的可用水量要少得多，因此该材料不会溶解，也无法用于将农药或其他大分子输送到韧皮部中。研究人员不得不设计一种新材料，但他们决定坚持使用丝绸作为基础。这是由于丝绸的强度，其在植物中的惰性(防止了不良的副作用)，以及其降解为细小颗粒而不会冒充植物内部脉管系统的风险的事实。

他们使用生物技术工具来提高丝绸的亲水性(使其吸水)，同时保持材料足够坚固以渗透到植物的表皮中，并具有足够的可降解性，以至于无法通过。

果然，他们在实验室的番茄和烟草植物上测试了这种物质，并且能够观察到注入的物质，在这种情况下是荧光分子，它们从植物的根部一直移动到叶片。

曹说：“我们认为这是植物生物学家和生物工程师可以用来更好地了解植物中运输现象的一种新工具。”此外，它还可以用于“将有效载荷运送到植物中，这可以解决一些问题。例如，您可以考虑运送微量营养素，或者可以考虑运送基因，以改变植物的基因表达或基本上设计一个工厂。”

Lim补充说：“现在，实验室对植物注射剂的兴趣已从抗生素的应用扩展到了基因工程和即时诊断。”

例如，在他们对烟草植物的实验中，他们能够注入一种名为农杆菌的生物来改变植物的DNA，这是一种典型的生物工程工具，但以一种新的精确的方式进行了传递。

到目前为止，这是一种使用精密设备的实验室技术，因此，以目前的形式，它在农业规模的应用中将无用，但是希望可以将其用于例如重要作物的生物工程抗病品种植物。该团队还使用安装在小型无人机上的改良玩具飞镖枪进行了测试，该无人机能够将微针发射到野外植物中。Marelli说，最终，这种过程可以使用自动驾驶汽车实现自动化，以用于农业规模。

同时，团队继续致力于使系统适应各种植物及其组织的各种需求和条件。“它们之间确实存在很多差异，” Marelli说，因此您需要考虑使用针对特定工厂的设备。对于未来，我们的研究兴趣将不仅限于抗生素的提供，还包括基于代谢产物采样的基因工程和即时诊断。”

这项工作得到了海军研究办公室，美国国家科学基金会和凯克基金会的支持。