文：萬燦
來源：35斗（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”。那么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面，主要表現在徑流速度、激素、葡萄糖等小分子和pH的變化。而傳感器就用于監測這些變化因素的實時動態，從而分辨植株是否健康。近年，有多個團隊在植物傳感器研究方面取得了進展或突破，或可在商業應用方面顯示出巨大的潛力。
35斗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
由于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制植物從胚胎到器官的產生、生物防御、脅迫耐受和生殖發育等一系列生長過程；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于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面，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。植物的莖流類似于人類的“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，市面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，制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，使得傳感器能在不干擾植物自然生長的情況下與其長期共存。隨后，研究團隊利用莖流傳感器開展了一系列的實驗，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。在現下生物教科書中，一般認為植物生長主要依靠光合作用的能量積累，而夜間以消耗生物量的呼吸作用為主，所以果實的生長也應與植株一樣主要在白天，即與光合作用同步。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，最后只有不到5%的水被運輸入果實用于生長；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。
“白天積累的光合產物導致的滲透勢差應該是夜晚莖流激增的主要原因。同時，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，從而實現了果實的重量增加與體積膨大”，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。基于其對西瓜等耐旱作物體內水分運輸和抗旱機理的解析，植物可穿戴式莖流傳感器具有良好的應用前景，將為全球干旱地區的農業生產、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于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，并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。在植物生長過程中，植物需要通過在生物和非生物脅迫條件下向空氣中排放多種氣體，從而調節植物的生理并與周圍環境進行交流。生長的特征在于機械變形，如身體莖稈部位的膨脹或伸長，植物生長傳感器可以檢測植物不同組織變形或膨脹來跟蹤物理生長。植物生理與周圍微氣候傳感器是基于光學、電容或電阻操作機制創造而成，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）等空氣污染體，當植物受到污染威脅，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面監測。
近年來，智慧農業、精準農業快速發展，傳感器技術在農業領域將發揮至關重要的作用，幫助農業原始信息的采集與獲取，實現對植物的科學精準管控與治理，從而達到作物高產優質。目前，可穿戴植物傳感器還處于研發精進階段，在實際應用中面臨著諸多挑戰。隨著植物生理學的發展以及相關研究的深入，植物生理傳感器將會朝著無損在線式監測方向發展，提高靈敏度、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。
