近日，浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院IBE團(tuán)隊(duì)劉湘江、應(yīng)義斌，信電學(xué)院汪小知和農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院胡仲遠(yuǎn)，聯(lián)合發(fā)明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(yīng)用到植物體表，成功在自然生長狀態(tài)下，持續(xù)監(jiān)測(cè)草本植物體內(nèi)水分的動(dòng)態(tài)傳輸和分配過程。同時(shí)，科研人員還發(fā)現(xiàn)植物果實(shí)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(duì)植物生長發(fā)育過程的基本認(rèn)識(shí)，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(xiàng)研究，近日刊發(fā)在國際知名期刊《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）（IF=15.840），論文共同第一作者為我院IBE團(tuán)隊(duì)的碩士生柴揚(yáng)帆和陳楚奕。
形似“紋身”的柔性傳感器實(shí)現(xiàn)自然狀態(tài)下的植物生理監(jiān)測(cè)
眾所周知，血液是維持人體生命活動(dòng)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(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)組織和器官。
植物也有類似“血液”的物質(zhì)，被稱為莖流，是植物在蒸騰作用、滲透勢(shì)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(hào)分子運(yùn)輸?shù)妮d體。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)莖流的長期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就能夠探究植物生長過程水養(yǎng)分分配、信號(hào)傳導(dǎo)以及植物對(duì)環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制等奧秘。
然而，現(xiàn)有的莖流檢測(cè)方法多為大型侵入式探測(cè)器，在測(cè)量時(shí)會(huì)對(duì)植物造成物理傷害，而且儀器體積大限制了它們?cè)诓荼局参锷系膽?yīng)用。很長一段時(shí)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(cè)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(tuán)隊(duì)（IBE）、智能傳感與微納集成團(tuán)隊(duì)、蔬菜種質(zhì)創(chuàng)新與分子設(shè)計(jì)育種團(tuán)隊(duì)開展了跨學(xué)科交叉研究，針對(duì)植物莖稈特殊的生理特性，利用芯片級(jí)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(jìn)行莖流監(jiān)測(cè)。
另一個(gè)工程難題是如何避免傳感器對(duì)植物生理產(chǎn)生影響。研究團(tuán)隊(duì)通過特殊設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)了傳感器與植物的長期“和平共處”，最終實(shí)現(xiàn)在自然生長狀態(tài)下長期觀察莖流的目的。
“這項(xiàng)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(duì)特定植物表面結(jié)構(gòu)和生理特性，設(shè)計(jì)制備可穿戴傳感器，如何評(píng)估傳感器對(duì)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或?qū)?jié)水灌溉提供新思路
工欲善其事必先利其器，有了這么好的檢測(cè)“傳感器”，科研團(tuán)隊(duì)開展了一系列豐富的研究。
研究團(tuán)隊(duì)在西瓜莖稈上幾個(gè)關(guān)鍵位點(diǎn)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(shí)、莖稈等不同器官上的動(dòng)態(tài)分配情況。通過對(duì)莖流數(shù)據(jù)的分析，研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了西瓜果實(shí)生長與光合作用不同步的現(xiàn)象。
西瓜果實(shí)絕大部份是水（95%左右），然而莖流傳感器測(cè)量發(fā)現(xiàn)：在白天只有極少部分水被運(yùn)輸入果實(shí)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(yùn)輸?shù)焦麑?shí)，絕對(duì)莖流量相對(duì)日間增加了10倍。
“白天積累的光合產(chǎn)物導(dǎo)致的滲透勢(shì)差應(yīng)該是夜晚莖流激增的主要原因。同時(shí)，夜晚沒有蒸騰作用消耗水分，促使大量莖流輸入到西瓜果實(shí)，從而實(shí)現(xiàn)了果實(shí)的重量增加與體積膨大”胡仲遠(yuǎn)表示，這一發(fā)現(xiàn)也間接證明西瓜果實(shí)生長主要在夜間。
這一發(fā)現(xiàn)改變了對(duì)于植物果實(shí)生長的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。教科書中一般認(rèn)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，所以果實(shí)的生長也應(yīng)與其它組織器官生長發(fā)育一樣主要在白天，依賴太陽能量生長，即與光合作用同步。
這個(gè)反常識(shí)性的發(fā)現(xiàn)不僅具有重要的科學(xué)價(jià)值，同時(shí)具有良好的應(yīng)用前景。浙大科研團(tuán)隊(duì)表示，水是珍貴的農(nóng)業(yè)資源，基于莖流對(duì)西瓜等耐旱作物體內(nèi)水分運(yùn)輸和抗旱機(jī)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。
參與此次合作研究的團(tuán)隊(duì)：
浙江大學(xué)智能生物產(chǎn)業(yè)裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（IBE）
浙江大學(xué)智能傳感與微納集成團(tuán)隊(duì)
浙江大學(xué)蔬菜種質(zhì)創(chuàng)新與分子設(shè)計(jì)育種團(tuán)隊(duì)
參考文獻(xiàn)：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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