Advanced Science:植物可穿戴传感器改写植物学传统认知

2021年3月9日,浙江大学生物系统工程与食品科学学院(应义斌、刘湘江)、信电学院(汪小知)、农业与生物技术学院(胡仲远)在国际知名期刊《Advanced Science》联合发布了联合发明了一种植物可穿戴茎流传感器(图1),通过将柔性穿戴电子技术应用到植物体表,成功在自然生长状态下,持续监测植物体内水分的动态传输和分配过程,所观察到科学现象不仅改变人们长期以来对植物生长发育过程的基本认识,更将为作物高产育种及栽培技术研发提供新的思路。

图1 植物可穿戴茎流传感器

水是生命的载体。植物茎流(Stem sap flow)是植物在蒸腾作用下茎秆中产生的上升液流。我们都知道,血液是维持人体生命活动的重要物质,通过血液循环能够把人体所需要的各种营养物质,运输到各个组织和器官。茎流就好比植物的“血液”。通过对茎流进行长期监测,就能够探究植物生长过程中一些未知的“秘密”。 然而,现有的茎流检测方法在测量会对植物造成物理伤害,到目前为止还没有一种方法可以在自然生长状态下长期监测植物茎流。

为了解决这一难题,浙江大学多个科研团队开展跨学科交叉研究,针对植物茎秆特殊的生理特性,利用芯片级的微纳加工工艺,制备了一种植物可穿戴式茎流传感器,如同“纹身”一样,能贴附在植物茎秆表面进行茎流监测(图2)。另一个工程难题是避免传感器对植物生理产生影响。研究团队通过特殊设计,使得植物正常生长发育所需的阳光、氧气、水和二氧化碳能够自由通过传感器,实现了传感器与植物长期“共生”的目的,最终实现在自然生长状态下长期观察茎流的目的。此工作为今后研制植物可穿戴传感器提供新的研究范式。

在此基础上,研究团队以西瓜为对象开展了研究。在西瓜茎干上几个关键位点部署了茎流传感器,长期无损的观察了水分在西瓜不同器官(叶片、果实、茎秆)的动态分配情况。通过对茎流数据的分析,研究团队首次发现了西瓜果实生长与光合作用不同步的现象,即西瓜果实生长主要在夜间(图3)。这一发现改写了对于植物果实生长的传统认识。

这个反常识性的发现同时不仅具有重要的科学价值,同时具有巨大应用前景。水是珍贵的农业资源,基于茎流对西瓜等耐旱作物体内水分运输和抗旱机理的进行全新解析,为全球干旱地区的农业生产、节水灌溉、抗旱作物选育提供了新理论依据和技术支持。

相关工作在线发表在Advanced Science上。

参与此次合作研究的团队和主要人员:

浙江大学 智能生物产业装备创新团队(IBE)应义斌、刘湘江

浙江大学 智能传感与微纳集成团队 汪小知

浙江大学 蔬菜种质创新与分子设计育种团队 胡仲远

本研究主要实验工作由IBE团队硕士生陈楚奕、柴扬帆接力完成,历时四年。

图2传感器的结构和制备过程

图3成熟期西瓜昼夜西瓜茎流和水分分配

论文信息:

Cohabiting Plant-Wearable Sensor In Situ Monitors Water Transport in Plant

Yangfan Chai, Chuyi Chen, Xuan Luo, Shijie Zhan, Jongmin Kim, Jikui Luo, Xiaozhi Wang*, Zhongyuan Hu*, Yibin Ying*, Xiangjiang Liu*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202003642