2021年3月9日，浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院（應義斌、劉湘江）、信電學院（汪小知）、農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學院（胡仲遠）在國際知名期刊《Advanced Science》聯(lián)合發(fā)布了一種植物可穿戴莖流傳感器，通過將柔性穿戴電子技術(shù)應用到植物體表，成功在自然生長狀態(tài)下，持續(xù)監(jiān)測植物體內(nèi)水分的動態(tài)傳輸和分配過程，所觀察到科學現(xiàn)象不僅改變?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。
圖1 植物可穿戴莖流傳感器
水是生命的載體。植物莖流（Stem sap flow）是植物在蒸騰作用下莖稈中產(chǎn)生的上升液流。我們都知道，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。莖流就好比植物的“血液”。通過對莖流進行長期監(jiān)測，就能夠探究植物生長過程中一些未知的“秘密”。 然而，現(xiàn)有的莖流檢測方法在測量會對植物造成物理傷害，到目前為止還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，浙江大學多個科研團隊開展跨學科交叉研究，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，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)了傳感器與植物長期“共生”的目的，最終實現(xiàn)在自然生長狀態(tài)下長期觀察莖流的目的。此工作為今后研制植物可穿戴傳感器提供新的研究范式。
圖2 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
在此基礎上，研究團隊以西瓜為對象開展了研究。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不同器官（葉片、果實、莖稈）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，即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。
圖3 成熟期西瓜晝夜莖流變化規(guī)律。
這個反常識性的發(fā)現(xiàn)同時不僅具有重要的科學價值，同時具有巨大應用前景。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進行全新解析，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。
參與此次合作研究的團隊和主要人員：
浙江大學 智能生物產(chǎn)業(yè)裝備創(chuàng)新團隊（IBE）應義斌、劉湘江
浙江大學 智能傳感與微納集成團隊 汪小知
浙江大學 蔬菜種質(zhì)創(chuàng)新與分子設計育種團隊 胡仲遠
本研究主要實驗工作由IBE團隊碩士生陳楚奕、柴揚帆接力完成，歷時四年。
參考文獻：Yangfan Chai#, Chuyi Chen#, Xuan Luo, Shijie Zhan, Jongmin Kim, Jikui Luo, Xiaozhi Wang*, Zhongyuan Hu*, Yibin Ying*, Xiangjiang Liu*. Cohabiting Plant-Wearable Sensor In Situ Monitors Water Transport in Plant. Advanced Science, 2021, 2003642.
原文鏈接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202003642
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