植物补丁使作物胁迫和疾病的连续监测

Patch监控作物

北卡罗莱纳州立大学的研究人员开发了一种贴片,植物可以佩戴它来持续监测植物疾病或其他压力,如作物受损或极端高温。作者:魏庆山,北卡州立大学

的研究人员北卡罗来纳州立大学已经开发出一种贴片,植物可以通过“佩戴”来持续监测植物疾病或其他压力,如作物受损或极端高温。

“我们发明了一种可穿戴传感器,通过测量植物释放的挥发性有机化合物(VOCs),以一种非侵入性的方式监测植物的应激和疾病,”一篇关于这项工作的论文的共同通讯作者魏庆山说。魏是北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程的助理教授。

目前的植物胁迫或病害检测方法包括采集植物组织样本并在实验室中进行分析。然而,这只给了种植者一种测量方法,而且在种植者取样和得到测试结果之间有一段时间间隔。

植物在不同的环境下会释放不同的挥发性有机化合物。通过定位与特定疾病或植物胁迫相关的VOCs,传感器可以向用户发出特定问题的警报。

“我们的技术可以持续监测工厂的VOC排放,而不会对工厂造成伤害,”魏说。“我们展示的原型可以存储这些监控数据,但未来的版本将会无线传输数据。我们开发的技术可以让种植者发现田间的问题,他们不需要等待实验室的检测结果。”

这些长方形的贴片长30毫米,由一种柔性材料组成石墨烯基于传感器和柔性银纳米线。传感器被涂上各种化学配体,可以对特定VOCs的存在做出反应,允许系统检测和测量植物叶子释放的气体中的VOCs。

研究人员在番茄植株上测试了该设备的原型。建立这个原型是为了监测两种类型的胁迫:对植物的物理伤害和引起番茄晚疫病的病原菌感染。该系统在1 - 3小时内检测到与物理损伤相关的VOC变化,具体时间取决于损伤距离补丁位置的远近。

检测鼠疫杆菌的存在需要更长的时间。这项技术直到研究人员接种番茄植株三到四天后才检测到VOC排放的变化。

“这并不比晚疫病的视觉症状出现快得多,”魏说。“然而,这种监控系统意味着种植者不必依赖于检测微小的视觉症状。持续的监测将使种植者能够尽快识别植物疾病,帮助他们限制疾病的传播。”

“我们的原型已经可以检测13种不同的植物VOCs精度这篇论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航天工程安德鲁·a·亚当斯特约教授朱勇(Yong Zhu)说。

“同样需要注意的是,这些材料的成本相当低,”朱说。“如果生产规模扩大,我们认为这种技术将是负担得起的。我们正试图为现实世界的问题开发一个切实可行的解决方案,我们知道成本是一个重要的考虑因素。”

研究人员目前正在开发可以监测温度、湿度和其他环境变量以及VOCs的下一代贴片。虽然原型机由电池供电,并在现场存储数据,但研究人员计划未来的版本将由太阳能供电,并能够无线传输数据。

参考文献:“通过可穿戴传感器通过化学分析叶片挥发物实时监测植物胁迫”,作者:Zheng Li, Yuxuan Liu, Oindrila Hossain, Rajesh Paul, Shanshan Yao, Shuang Wu, Jean B. Ristaino, Yong Zhu和Qingshan Wei, 2021年7月7日,
DOI: 10.1016 / j.matt.2021.06.009

论文的共同第一作者是前北卡罗来纳大学博士后李征(现深圳大学助理教授)和北卡罗来纳大学博士生李宇轩。该论文由NC州立大学威廉尼尔雷诺兹杰出植物病理学教授Jean Ristaino合著;北卡罗来纳州立大学的博士研究生Oindrila Hossain, Rajesh Paul和shuowu;以及前北卡罗来纳州立大学博士后、现任石溪大学助理教授的姚珊珊。

这项工作得到了北卡罗来纳州校长教师卓越计划的支持;科南工程技术与科学研究所;北卡罗来纳州植物科学计划(GRIP4PSI)改变游戏规则的研究激励计划;来自美国农业部的北卡罗来纳州人类健康和环境中心试点项目奖,编号2019-67030-29311;美国农业部APHIS农场法案批准号3.0096;以及国家科学基金会1728370的资助。

第一个发表评论“植物斑块可持续监测作物逆境和病害”

留下你的评论

邮箱地址可选。如果提供,您的电子邮件将不会被公布或共享。