精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)且持續(xù)地監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)和生理狀況，對(duì)通過(guò)智慧調(diào)控手段提升其產(chǎn)量與品質(zhì)至關(guān)重要。隨著植物表型組學(xué)和柔性電子學(xué)的交叉融合，近年來(lái)涌現(xiàn)了多種基于不同原理的可穿戴式植物傳感器。然而，當(dāng)前此類產(chǎn)品基本處于實(shí)驗(yàn)室階段，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用面臨多重挑戰(zhàn)：一是現(xiàn)有傳感器常難以兼具高靈敏度和寬檢測(cè)范圍；二是其在風(fēng)雨、日曬、溫度波動(dòng)等自然條件下的穩(wěn)定性不足，無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定工作能力；三是因通用性受限或成本高、操作復(fù)雜，難以支持大規(guī)模田間應(yīng)用；最后，也是尤為重要的一點(diǎn)，現(xiàn)有傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往追求于檢測(cè)精度，而缺乏將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有意義的植物生理、生長(zhǎng)發(fā)育及環(huán)境響應(yīng)信息的能力，在揭示復(fù)雜性狀的生物學(xué)機(jī)制及指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的作用有限。
近日，中國(guó)計(jì)量大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院徐沛教授課題組在Plant Communications雜志發(fā)表了題為PlantRing: A high-throughput wearable sensor system for decoding plant growth, water relations and innovating irrigation的研究論文，為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)提供了方案。團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)等單位合作，研發(fā)了高通量、低成本植物穿戴式傳感器系統(tǒng)—PlantRing（植物手環(huán)），將植物莖、果實(shí)等器官直徑動(dòng)態(tài)微變化與植物生理功能（水分分配、晝夜節(jié)律、氣孔行為等）深度關(guān)聯(lián)，并引導(dǎo)反饋灌溉，實(shí)現(xiàn)了從基于環(huán)境信息向基于植物本體信息的范式轉(zhuǎn)變。
Plantring系統(tǒng)由傳感單元、防水無(wú)線通信單元和云服務(wù)器終端組成（圖1）。傳感器環(huán)繞監(jiān)測(cè)的植物器官，并將植物器官直徑微變化產(chǎn)生的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。柔性傳感器的長(zhǎng)度可根據(jù)所需監(jiān)測(cè)的植物器官定制。防水無(wú)線通信單元將傳感數(shù)據(jù)被傳輸?shù)皆品?wù)器上，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理和存儲(chǔ)，可通過(guò)電腦和智能手機(jī)訪問(wèn)。PlantRing傳感單元基于應(yīng)力超敏感的蠶絲基納米材料開(kāi)發(fā)，結(jié)合便攜式電學(xué)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)植物莖、果實(shí)等器官直徑變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不僅可以高精度地分辨 < 10微米級(jí)的變化，還可實(shí)現(xiàn)三個(gè)月以上的長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航。本論文通過(guò)一系列實(shí)例展示了Plantring系統(tǒng)的強(qiáng)大功能。
圖1 PlantRing傳感器的制備、使用方法演和信號(hào)產(chǎn)生原理
基于莖直徑的植物生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)莖直徑微變可體現(xiàn)植物莖稈白天因蒸騰失水收縮、夜晚因根系吸水膨脹或反映其他脅迫導(dǎo)致的生長(zhǎng)不良。圖2A體現(xiàn)了漸進(jìn)式干旱處理下通過(guò)PlantRing監(jiān)測(cè)番茄每日莖直徑變化（△SC）的結(jié)果。通過(guò)曲線下降階段的拐點(diǎn)（θcri）和斜率（k），定量地定義了氣孔對(duì)水分虧缺的基因型特異性響應(yīng)，該方法可應(yīng)用于篩選對(duì)土壤干旱敏感/不敏感的品種以及GWAS分析等。在同一植株的不同部位將多個(gè)PlantRing聯(lián)用，還可進(jìn)一步觀察水分在植株體內(nèi)的分配關(guān)系。PlantRing的檢測(cè)結(jié)果顯示，番茄和西瓜易裂果/耐裂果基因型在主蔓-果枝間水分分配關(guān)系模式上存在相反的特征（圖2B），過(guò)多的莖桿貯藏水向果枝中的分配與易裂果性狀有關(guān)。該研究定義了新的裂果潛力指數(shù)，并建立了其量化方法，可用于裂果性狀量化表征及耐裂果種質(zhì)早期篩選。
研究基因功能。本文還通過(guò)PlantRing柔性可穿戴傳感器監(jiān)測(cè)大豆的晝夜莖直徑變化，結(jié)合蒸騰速率的測(cè)量力圖可視化大豆莖稈晝夜節(jié)律變化的模式，證實(shí)了生物鐘基因GmLNK2基因突變體全天蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度水平較野生型大豆顯著降低（圖3A）。該實(shí)例展示了Plantring 系統(tǒng)通過(guò)晝夜節(jié)律監(jiān)測(cè)來(lái)研究生物鐘基因功能的潛力，并揭示了GmLNK2基因在氣孔調(diào)節(jié)中的新功能。
用于虧缺灌溉，同步實(shí)現(xiàn)節(jié)水和提質(zhì)。由于 PlantRing 能夠通過(guò)莖直徑變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物水分狀況，該研究開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)反饋灌溉系統(tǒng)。在針對(duì)番茄植株的生產(chǎn)性農(nóng)業(yè)大棚實(shí)驗(yàn)中，對(duì)比基于土壤濕度傳感器和PlantRing系統(tǒng)的兩種虧缺灌溉，以及充分灌溉的種植效果（圖3B）。由于PlantRing通過(guò)直接測(cè)量植物自身身生長(zhǎng)狀態(tài)，其效果優(yōu)于通過(guò)土壤濕度間接監(jiān)測(cè)的反饋方式，在減少灌溉用水的同時(shí)提升了番茄甜度，實(shí)現(xiàn)節(jié)水+提質(zhì)。
圖3. 基于PlantRing的基因功能研究（A）和自動(dòng)反饋灌溉方案（B，充分灌溉WI、基于土壤VWC的虧缺灌溉 DIv 和基于 PlantRing 的虧缺灌溉 DIp）
除上述應(yīng)用外，PlantRing在植物營(yíng)養(yǎng)診斷、脅迫響應(yīng)、林木生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)等其他方面也有巨大的應(yīng)用潛力（圖4）。PlantRing作為精密科學(xué)儀器和智慧農(nóng)業(yè)實(shí)用工具的雙重功能已在真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境下得到驗(yàn)證，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化制造，突破了植物穿戴式傳感器大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。
圖4 PlantRing的拓展應(yīng)用和產(chǎn)品展示
中國(guó)計(jì)量大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院原講師孫挺和副教授呂晨澤并列為該論文第一作者，徐沛研究員為論文通訊作者。清華大學(xué)化學(xué)系張瑩瑩教授，原博士后畢鵬、博士生鄒梅，河南大學(xué)徐小冬和謝啟光教授，淮安市農(nóng)科院程瑞、許文釗以及青島農(nóng)業(yè)大學(xué)王華森教授等為本研究做出重要貢獻(xiàn)。浙江農(nóng)林大學(xué)崔霞研究員提供了部分植物材料。該研究獲得了浙江省農(nóng)業(yè)新品種選育重大專項(xiàng)的資助。
徐沛團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事園藝作物表型組學(xué)和豆類蔬菜遺傳改良研究，在農(nóng)、工、信學(xué)科交叉融合方面形成了顯著特色，有關(guān)研究成果已在The Plant Cell、Plant Journal、Plant Communications、Horticulture Research、Methods in Molecular Biology等發(fā)表。有關(guān)PlantRing相關(guān)產(chǎn)品細(xì)節(jié)，可聯(lián)系呂晨澤副教授（chenzelu@cjlu.edu.cn）。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590346225000847
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