文：萬燦
來源：35鬥（ID：vcearth）
植物，是我們身邊最熟悉的事物，它們往往靜靜佇立或是提供給人類必須的食物、工業原料。但是你有沒有可能想過，植物也有各項生理指標，甚至有“喜怒哀樂”。那麼我們該如何讀懂植物的生物指標，和植物“隨喜”呢？植物傳感器應運而生。
植物的生長在內部生理狀態方麵，主要表現在徑流速度、激素、葡萄糖等小分子和pH的(de)變(bian)化(hua)。而(er)傳(chuan)感(gan)器(qi)就(jiu)用(yong)於(yu)監(jian)測(ce)這(zhe)些(xie)變(bian)化(hua)因(yin)素(su)的(de)實(shi)時(shi)動(dong)態(tai)，從(cong)而(er)分(fen)辨(bian)植(zhi)株(zhu)是(shi)否(fou)健(jian)康(kang)。近(jin)年(nian)，有(you)多(duo)個(ge)團(tuan)隊(dui)在(zai)植(zhi)物(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)研(yan)究(jiu)方(fang)麵(mian)取(qu)得(de)了(le)進(jin)展(zhan)或(huo)突(tu)破(po)，或(huo)可(ke)在(zai)商(shang)業(ye)應(ying)用(yong)方(fang)麵(mian)顯(xian)示(shi)出(chu)巨(ju)大(da)的(de)潛(qian)力(li)。
35鬥梳理了相關研究團隊的主要方向和研究發現，以期順序揭示該領域的最新進展。
表1：植物傳感器的相關研究發現
由於植物有外部形態特征和內部生理特征的微變化，所以植物傳感器也分為外部與內部。
外部按測量方式可分為接觸式和非接觸式，接觸式是機械測量，采用位移傳感器；非接觸式采用現代視覺檢測圖像處理技術，通過提取被測植物的圖像信息得到準確的測量值。內部植物傳感器主要分為徑流傳感器、激素傳感器和葡萄糖等小分子傳感器。目前植物徑流傳感器的測量主要采用熱技術方法，包括熱場變形法、熱擴散法和熱平衡法等；植物激素是植物內源性發育的風向標，其可以整合外部信號來控製植物從胚胎到器官的產生、生物防禦、脅迫耐受和生殖發育等一係列生長過程；當前對植物進行葡萄糖分析的研究較少，大部分檢測方法是基於酶的高特異性來進行。本文中，咱們主要分析探討植物內部生理傳感器的研究概況與應用前景。可穿戴莖流植物傳感器能對每一株植物進行精細觀測，將植物的一舉一動盡收“眼底”。其貼附在植物莖葉表麵，監測莖流狀況，從而可以實時掌握植物各個階段的生長發育情況。植物的莖流類似於人類的“血液”，是植物在蒸騰作用、滲透勢等內外部壓力下莖稈中產生的上升液流，承載了輸送植物水分、養分、信號分子的任務。目前，市麵上探測植物徑流的方式大多采用大型侵入式探測器，不僅操作不方便，在測量過程中還會對植物造成物理傷害。2021年3月9日，來自浙江大學的研究團隊利用芯片級的微納加工工藝，製造了一款可穿戴式莖流傳感器。這款傳感器輕薄如紙，厚度僅0.01毫米，重0.24克，貼在植物葉片上，如同“紋身”一樣。研究團隊利用先進微機械、材料和納米加工技術，讓此款傳感器具有超薄、柔軟、可拉伸且重量輕的特點，陽光、氧氣、水和二氧化碳等物質能自由通過傳感器，透水、透光、透氣性強，使得傳感器能在不幹擾植物自然生長的情況下與其長期共存。隨後，研究團隊利用莖流傳感器開展了一係列的實驗，他們在西瓜莖稈關鍵幾個點部署了傳感器，觀察水分在西瓜葉片、果實、莖稈上等不同器官的動態分配情況。通過對西瓜莖稈莖流數據的監測分析，研究團隊首次發現了西瓜果實生長與光合作用不同步的現象。zaixianxiashengwujiaokeshuzhong，yibanrenweizhiwushengchangzhuyaoyikaoguanghezuoyongdenengliangjilei，eryejianyixiaohaoshengwuliangdehuxizuoyongweizhu，suoyiguoshideshengchangyeyingyuzhizhuyiyangzhuyaozaibaitian，jiyuguanghezuoyongtongbu。西瓜果實的水含量高達95%。研究團隊通過莖流傳感器測量發現，白天時，絕大部份水都被蒸騰作用消耗掉，最後隻有不到5%的水被運輸入果實用於生長；但是到了夜間，幾乎所有的水分都被運輸到果實，絕對莖流量相對日間增加了10倍。
“白bai天tian積ji累lei的de光guang合he產chan物wu導dao致zhi的de滲shen透tou勢shi差cha應ying該gai是shi夜ye晚wan莖jing流liu激ji增zeng的de主zhu要yao原yuan因yin。同tong時shi，夜ye晚wan沒mei有you蒸zheng騰teng作zuo用yong消xiao耗hao水shui分fen，促cu使shi大da量liang莖jing流liu輸shu入ru到dao西xi瓜gua果guo實shi，從cong而er實shi現xian了le果guo實shi的de重zhong量liang增zeng加jia與yu體ti積ji膨peng大da”，科研人員表示，這一發現間接證明了西瓜果實生長主要在夜間。基ji於yu其qi對dui西xi瓜gua等deng耐nai旱han作zuo物wu體ti內nei水shui分fen運yun輸shu和he抗kang旱han機ji理li的de解jie析xi，植zhi物wu可ke穿chuan戴dai式shi莖jing流liu傳chuan感gan器qi具ju有you良liang好hao的de應ying用yong前qian景jing，將jiang為wei全quan球qiu幹gan旱han地di區qu的de農nong業ye生sheng產chan、節水灌溉、抗旱作物選育等提供新理論依據和技術支持，推動作物高產育種及栽培技術發展。無獨有偶，北卡羅萊納洲立大學的Giwon Lee博士、魏青山教授和朱勇教授也專注於植物傳感器的研究開發。他們將可穿戴植物傳感器按功能分為植物生長傳感器、生理與周圍微氣候傳感器、化學傳感器以及多功能傳感器，並強調它們連續監測植物生長的功能，在解決當前精準農業問題中具有廣泛應用前景。在(zai)植(zhi)物(wu)生(sheng)長(chang)過(guo)程(cheng)中(zhong)，植(zhi)物(wu)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)在(zai)生(sheng)物(wu)和(he)非(fei)生(sheng)物(wu)脅(xie)迫(po)條(tiao)件(jian)下(xia)向(xiang)空(kong)氣(qi)中(zhong)排(pai)放(fang)多(duo)種(zhong)氣(qi)體(ti)，從(cong)而(er)調(tiao)節(jie)植(zhi)物(wu)的(de)生(sheng)理(li)並(bing)與(yu)周(zhou)圍(wei)環(huan)境(jing)進(jin)行(xing)交(jiao)流(liu)。生(sheng)長(chang)的(de)特(te)征(zheng)在(zai)於(yu)機(ji)械(xie)變(bian)形(xing)，如(ru)身(shen)體(ti)莖(jing)稈(gan)部(bu)位(wei)的(de)膨(peng)脹(zhang)或(huo)伸(shen)長(chang)，植(zhi)物(wu)生(sheng)長(chang)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)檢(jian)測(ce)植(zhi)物(wu)不(bu)同(tong)組(zu)織(zhi)變(bian)形(xing)或(huo)膨(peng)脹(zhang)來(lai)跟(gen)蹤(zong)物(wu)理(li)生(sheng)長(chang)。植物生理與周圍微氣候傳感器是基於光學、電容或電阻操作機製創造而成，主要研究植物的功能和行為，如光合作用、蒸騰作用和呼吸作用，以及植物與周圍環境氣候之間的交流。植物非常容易受到化學壓力影響，在空氣中，往往會含有氮氧化物（NO x）、臭氧（O 3）等空氣汙染體，當植物受到汙染威脅，會通過向大氣釋放揮發性有機化合物（VOC）和過氧化氫（H 2O 2）發出信號。化學傳感器可以監測分析植物的VOC排放和有無有毒化學物質，從而幫助植物健康成長。除了上述的單一刺激響應傳感器，還有一種集成傳感器可以同時監測成長、生理、微氣候等多個參數，能對植物生長健康狀態進行全麵監測。
近年來，智慧農業、精jing準zhun農nong業ye快kuai速su發fa展zhan，傳chuan感gan器qi技ji術shu在zai農nong業ye領ling域yu將jiang發fa揮hui至zhi關guan重zhong要yao的de作zuo用yong，幫bang助zhu農nong業ye原yuan始shi信xin息xi的de采cai集ji與yu獲huo取qu，實shi現xian對dui植zhi物wu的de科ke學xue精jing準zhun管guan控kong與yu治zhi理li，從cong而er達da到dao作zuo物wu高gao產chan優you質zhi。muqian，kechuandaizhiwuchuanganqihaichuyuyanfajingjinjieduan，zaishijiyingyongzhongmianlinzhezhuduotiaozhan。suizhezhiwushenglixuedefazhanyijixiangguanyanjiudeshenru，zhiwushenglichuanganqijianghuichaozhewusunzaixianshijiancefangxiangfazhan，tigaolingmindu、高精度，研發多種類微型化、智能化的傳感器，達到真正的無線網絡化、數字化。未來，積極的合作研究將推動這些新型傳感器進一步的商業開發。
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