植物可穿戴莖流傳感器

最近，浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院IBE團隊劉湘江、應(yīng)義斌，信息與電子工程學(xué)院汪小知和農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院胡仲遠，為植物聯(lián)合發(fā)明一款穿戴式“電子皮膚”。時至今日，通過穿戴電子設(shè)備監(jiān)測心率、脈搏等，已經(jīng)成為健康管理的重要一環(huán)。

這種植物可穿戴莖流傳感器，通過將柔性穿戴電子技術(shù)應(yīng)用到植物體表，成功在自然生長狀態(tài)下，首次持續(xù)監(jiān)測草本植物體內(nèi)水分的動態(tài)傳輸和分配過程。同時，科研人員還發(fā)現(xiàn)植物果實生長與光合作用不同步的現(xiàn)象，這不僅改變?nèi)藗冮L期以來對植物生長發(fā)育過程的基本認識，更將為作物高產(chǎn)育種及栽培技術(shù)研發(fā)提供新的思路。

這項研究，近日刊發(fā)在《先進科學(xué)》上。

柔性傳感器實現(xiàn)植物生理監(jiān)測

眾所周知，血液是維持人體生命活動的重要物質(zhì)，通過血液循環(huán)能夠把人體所需要的各種營養(yǎng)物質(zhì)，運輸?shù)礁鱾€組織和器官。

植物也有類似也“血液”的物質(zhì)，被稱為莖流，是植物在蒸騰作用、滲透勢等內(nèi)外部壓力下莖稈中產(chǎn)生的上升液流。莖流也是植物水分、養(yǎng)分、信號分子運輸?shù)妮d體。因此，實現(xiàn)對莖流的長期實時監(jiān)測就能夠探究植物生長過程水養(yǎng)分分配、信號傳導(dǎo)以及植物對環(huán)境的響應(yīng)機制等奧秘。

然而，現(xiàn)有的莖流檢測方法多為大型侵入式探測器，在測量時會對植物造成物理傷害，而且儀器體積大限制了它們在草本植物上的應(yīng)用。很長一段時間內(nèi)，科學(xué)界沒有一種方法可以在自然生長狀態(tài)下長期監(jiān)測植物莖流。

為了解決這一難題，來自浙江大學(xué)的智能生物產(chǎn)業(yè)裝備創(chuàng)新團隊（IBE）、智能傳感與微納集成團隊、蔬菜種質(zhì)創(chuàng)新與分子設(shè)計育種團隊開展了跨學(xué)科交叉研究，針對植物莖稈特殊的生理特性，利用芯片級的微納加工工藝，制備了一種植物可穿戴式莖流傳感器。

記者看到，這款傳感器薄如蠶翼，厚度僅0.01毫米，重0.24克，如同“紋身”一樣，能貼附在植物莖稈表面進行莖流監(jiān)測。

另一個工程難題是避免傳感器對植物生理產(chǎn)生影響。研究團隊通過特殊設(shè)計，使得植物正常生長發(fā)育所需的陽光、氧氣、水和二氧化碳能夠自由通過傳感器，實現(xiàn)了傳感器與植物的長期“和平共處”，最終實現(xiàn)在自然生長狀態(tài)下長期觀察莖流的目的。

“這項工作為今后研制植物可穿戴傳感器提供新的研究范式。”汪小知介紹，未來如何針對特定植物表面結(jié)構(gòu)和生理特性，設(shè)計制備可穿戴傳感器，如何評估傳感器對植物生長和生理的影響，都可以從他們的研究中找到技術(shù)路徑。

發(fā)現(xiàn)西瓜生長竟在夜晚生長

工欲善其事必先利其器，有了這么好的檢測“傳感器”，科研團隊開展了一系列豐富的研究。

浙大科研人員在西瓜莖干上幾個關(guān)鍵位點部署了莖流傳感器，長期無損的觀察了水分在西瓜葉片、果實、莖稈等不同器官上的動態(tài)分配情況。通過對莖流數(shù)據(jù)的分析，研究團隊首次發(fā)現(xiàn)了西瓜果實生長與光合作用不同步的現(xiàn)象。

西瓜果實絕大部份是水（95%左右），然而徑流傳感器測量發(fā)現(xiàn)：在白天只有極少部分水被運輸入果實用于生長（5%），絕大部份水被葉片蒸騰作用消耗掉；但是到了夜間，幾乎所有的水分都被運輸?shù)焦麑?，絕對莖流量相對日間增加了10倍。

“白天積累的光合產(chǎn)物導(dǎo)致的滲透勢差應(yīng)該是夜晚徑流激增的主要原因。同時，夜晚沒有蒸騰作用消耗水分，促使大量徑流輸入到西瓜果實，從而實現(xiàn)了果實的重量增加與體積膨大” 胡仲遠表示，這一發(fā)現(xiàn)也間接證明西瓜果實生長主要在夜間。

這一發(fā)現(xiàn)改寫了對于植物果實生長的傳統(tǒng)認識。教科書中一般認為，植物生物量積累主要靠光合作用，而夜間以消耗生物量的呼吸作用為主。

這個反常識性的發(fā)現(xiàn)不僅具有重要的科學(xué)價值，同時具有良好的應(yīng)用前景。浙大科研團隊表示，水是珍貴的農(nóng)業(yè)資源，基于莖流對西瓜等耐旱作物體內(nèi)水分運輸和抗旱機理的解析，將為全球干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、節(jié)水灌溉、抗旱作物選育提供了新理論依據(jù)和技術(shù)支持。

該研究受到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、浙江省重點研發(fā)計劃的支持。

相關(guān)論文信息：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202003642