植物可穿戴莖流傳(chuan) 感器

最近，浙江大學生物係統工程與(yu) 食品科學學院IBE團隊劉湘江、應義(yi) 斌，信息與(yu) 電子工程學院汪小知和農(nong) 業(ye) 與(yu) 生物技術學院胡仲遠，為(wei) 植物聯合發明一款穿戴式“電子皮膚”。時至今日，通過穿戴電子設備監測心率、脈搏等，已經成為(wei) 健康管理的重要一環。

這種植物可穿戴莖流傳(chuan) 感器，通過將柔性穿戴電子技術應用到植物體(ti) 表，成功在自然生長狀態下，首次持續監測草本植物體(ti) 內(nei) 水分的動態傳(chuan) 輸和分配過程。同時，科研人員還發現植物果實生長與(yu) 光合作用不同步的現象，這不僅(jin) 改變人們(men) 長期以來對植物生長發育過程的基本認識，更將為(wei) 作物高產(chan) 育種及栽培技術研發提供新的思路。

這項研究，近日刊發在《先進科學》上。

柔性傳(chuan) 感器實現植物生理監測

眾(zhong) 所周知，血液是維持人體(ti) 生命活動的重要物質，通過血液循環能夠把人體(ti) 所需要的各種營養(yang) 物質，運輸到各個(ge) 組織和器官。

植物也有類似也“血液”的物質，被稱為(wei) 莖流，是植物在蒸騰作用、滲透勢等內(nei) 外部壓力下莖稈中產(chan) 生的上升液流。莖流也是植物水分、養(yang) 分、信號分子運輸的載體(ti) 。因此，實現對莖流的長期實時監測就能夠探究植物生長過程水養(yang) 分分配、信號傳(chuan) 導以及植物對環境的響應機製等奧秘。

然而，現有的莖流檢測方法多為(wei) 大型侵入式探測器，在測量時會(hui) 對植物造成物理傷(shang) 害，而且儀(yi) 器體(ti) 積大限製了它們(men) 在草本植物上的應用。很長一段時間內(nei) ，科學界沒有一種方法可以在自然生長狀態下長期監測植物莖流。

為(wei) 了解決(jue) 這一難題，來自浙江大學的智能生物產(chan) 業(ye) 裝備創新團隊（IBE）、智能傳(chuan) 感與(yu) 微納集成團隊、蔬菜種質創新與(yu) 分子設計育種團隊開展了跨學科交叉研究，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，製備了一種植物可穿戴式莖流傳(chuan) 感器。

記者看到，這款傳(chuan) 感器薄如蠶翼，厚度僅(jin) 0.01毫米，重0.24克，如同“紋身”一樣，能貼附在植物莖稈表麵進行莖流監測。

另一個(ge) 工程難題是避免傳(chuan) 感器對植物生理產(chan) 生影響。研究團隊通過特殊設計，使得植物正常生長發育所需的陽光、氧氣、水和二氧化碳能夠自由通過傳(chuan) 感器，實現了傳(chuan) 感器與(yu) 植物的長期“和平共處”，最終實現在自然生長狀態下長期觀察莖流的目的。

“這項工作為(wei) 今後研製植物可穿戴傳(chuan) 感器提供新的研究範式。”汪小知介紹，未來如何針對特定植物表麵結構和生理特性，設計製備可穿戴傳(chuan) 感器，如何評估傳(chuan) 感器對植物生長和生理的影響，都可以從(cong) 他們(men) 的研究中找到技術路徑。

發現西瓜生長竟在夜晚生長

工欲善其事必先利其器，有了這麽(me) 好的檢測“傳(chuan) 感器”，科研團隊開展了一係列豐(feng) 富的研究。

浙大科研人員在西瓜莖幹上幾個(ge) 關(guan) 鍵位點部署了莖流傳(chuan) 感器，長期無損的觀察了水分在西瓜葉片、果實、莖稈等不同器官上的動態分配情況。通過對莖流數據的分析，研究團隊首次發現了西瓜果實生長與(yu) 光合作用不同步的現象。

西瓜果實絕大部份是水（95%左右），然而徑流傳(chuan) 感器測量發現：在白天隻有極少部分水被運輸入果實用於(yu) 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(chan) 物導致的滲透勢差應該是夜晚徑流激增的主要原因。同時，夜晚沒有蒸騰作用消耗水分，促使大量徑流輸入到西瓜果實，從(cong) 而實現了果實的重量增加與(yu) 體(ti) 積膨大” 胡仲遠表示，這一發現也間接證明西瓜果實生長主要在夜間。

這一發現改寫(xie) 了對於(yu) 植物果實生長的傳(chuan) 統認識。教科書(shu) 中一般認為(wei) ，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(wei) 主。

這個(ge) 反常識性的發現不僅(jin) 具有重要的科學價(jia) 值，同時具有良好的應用前景。浙大科研團隊表示，水是珍貴的農(nong) 業(ye) 資源，基於(yu) 莖流對西瓜等耐旱作物體(ti) 內(nei) 水分運輸和抗旱機理的解析，將為(wei) 全球幹旱地區的農(nong) 業(ye) 生產(chan) 、節水灌溉、抗旱作物選育提供了新理論依據和技術支持。

該研究受到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、浙江省重點研發計劃的支持。

相關(guan) 論文信息：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202003642