植物传感器，读懂植物各项生理指标，在育种、种植领域潜力巨大

文:万灿

来源:三五斗（id: vcearth）

植物是我们周围最熟悉的东西。它们常常静静地站着或为人类提供必要的食物和工业原料。但你有没有想过，植物也有各种生理指标，甚至是“情绪”？那么我们如何了解植物的生物学指标，并“跟随植物的喜悦”呢？植物传感器应运而生。

在内部生理状态下，植物的生长主要表现为径流流速、激素、葡萄糖等小分子和pH值的变化，传感器用于监测这些变化因素的实时动态，以区分植物是否健康。近年来，多个团队在植物传感器研究方面取得进展或突破，或可能在商业应用中展现出巨大潜力。

35 Dou梳理了相关研究团队的主要方向和研究成果，以期按顺序揭示该领域的最新进展。

表1:植物传感器的相关研究成果数据来源:35。据公开资料显示。

01“纹身”式茎流传感器无干扰监测，西瓜实验打破教科书常规认知

由于植物有外部形态特征和内部生理特征的微变化，所以植物传感器也分为外部与内部。

外部按测量方式可分为接触式和非接触式，接触式是机械测量，采用位移传感器；非接触式采用现代视觉检测图像处理技术，通过提取被测植物的图像信息得到准确的测量值。内部植物传感器主要分为径流传感器、激素传感器和葡萄糖等小分子传感器。目前植物径流传感器的测量主要采用热技术方法，包括热场变形法、热扩散法和热平衡法等；植物激素是植物内源性发育的风向标，其可以整合外部信号来控制植物从胚胎到器官的产生、生物防御、胁迫耐受和生殖发育等一系列生长过程；当前对植物进行葡萄糖分析的研究较少，大部分检测方法是基于酶的高特异性来进行。本文中，咱们主要分析探讨植物内部生理传感器的研究概况与应用前景。可穿戴茎流植物传感器能对每一株植物进行精细观测，将植物的一举一动尽收“眼底”。其贴附在植物茎叶表面，监测茎流状况，从而可以实时掌握植物各个阶段的生长发育情况。植物的茎流类似于人类的“血液”，是植物在蒸腾作用、渗透势等内外部压力下茎秆中产生的上升液流，承载了输送植物水分、养分、信号分子的任务。目前，市面上探测植物径流的方式大多采用大型侵入式探测器，不仅操作不方便，在测量过程中还会对植物造成物理伤害。2021年3月9日，来自浙江大学的研究团队利用芯片级的微纳加工工艺，制造了一款可穿戴式茎流传感器。这款传感器轻薄如纸，厚度仅0.01毫米，重0.24克，贴在植物叶片上，如同“纹身”一样。

图1:植物可穿戴茎流传感器来源:官网浙江大学研究团队采用先进的微加工、材料和纳米加工技术，使这款传感器超薄、柔软、可拉伸、重量轻。阳光、氧气、水和二氧化碳可以自由通过传感器，传感器对水、光和空气具有渗透性，因此传感器可以与植物长期共存，而不会干扰它们的自然生长。随后，研究团队利用stem流量传感器进行了一系列实验。他们在西瓜茎的关键点部署传感器，观察水分在西瓜叶片、果实和茎等不同器官中的动态分布。通过对西瓜茎流数据的监测分析，研究团队首次发现西瓜果实生长与光合作用不同步。在目前的生物学教科书中，一般认为植物的生长主要依靠光合作用的能量积累，而消耗生物质的呼吸作用是夜间的主要功能，因此水果的生长应主要在白天，即与光合作用同步进行，就像植物一样。然而，这个实验打破了这种常规认知。西瓜果实的含水量高达95%。研究团队发现，白天大部分水分被蒸腾作用消耗掉，最后只有不到5%的水分被运输到果实中用于生长。但在夜间，几乎所有的水分都被运输到果实中，绝对茎流比白天增加了10倍。

图2:西瓜成熟期茎流日变化和水分分布规律

图源：浙江大学官网“白天积累的光合产物导致的渗透势差应该是夜晚茎流激增的主要原因。同时，夜晚没有蒸腾作用消耗水分，促使大量茎流输入到西瓜果实，从而实现了果实的重量增加与体积膨大”，科研人员表示，这一发现间接证明了西瓜果实生长主要在夜间。基于其对西瓜等耐旱作物体内水分运输和抗旱机理的解析，植物可穿戴式茎流传感器具有良好的应用前景，将为全球干旱地区的农业生产、节水灌溉、抗旱作物选育等提供新理论依据和技术支持，推动作物高产育种及栽培技术发展。02多种类型传感器连续监测，帮助植物健康成长

无独有偶，北卡罗莱纳洲立大学的Giwon Lee博士、魏青山教授和朱勇教授也专注于植物传感器的研究开发。他们将可穿戴植物传感器按功能分为植物生长传感器、生理与周围微气候传感器、化学传感器以及多功能传感器，并强调它们连续监测植物生长的功能，在解决当前精准农业问题中具有广泛应用前景。在植物生长过程中，植物需要通过在生物和非生物胁迫条件下向空气中排放多种气体，从而调节植物的生理并与周围环境进行交流。生长的特征在于机械变形，如身体茎秆部位的膨胀或伸长，植物生长传感器可以检测植物不同组织变形或膨胀来跟踪物理生长。

图3：植物生长传感器

图源：ResearchGate植物生理与周围微气候传感器是基于光学、电容或电阻操作机制创造而成，主要研究植物的功能和行为，如光合作用、蒸腾作用和呼吸作用，以及植物与周围环境气候之间的交流。

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图4:植物生理学和外围小气候传感器

图源：ResearchGate植物非常容易受到化学压力影响，在空气中，往往会含有氮氧化物（NO x）、臭氧（O 3）等空气污染体，当植物受到污染威胁，会通过向大气释放挥发性有机化合物（VOC）和过氧化氢（H 2O 2）发出信号。化学传感器可以监测分析植物的VOC排放和有无有毒化学物质，从而帮助植物健康成长。

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图5:化学传感器来源:ResearchGate除了上述的单一刺激响应传感器外，research gate还有一个集成传感器，可以同时监测生长、生理和小气候等多个参数，可以全面监测植物的生长和健康状况。

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图6:多功能传感器

图源：ResearchGate近年来，智慧农业、精准农业快速发展，传感器技术在农业领域将发挥至关重要的作用，帮助农业原始信息的采集与获取，实现对植物的科学精准管控与治理，从而达到作物高产优质。目前，可穿戴植物传感器还处于研发精进阶段，在实际应用中面临着诸多挑战。随着植物生理学的发展以及相关研究的深入，植物生理传感器将会朝着无损在线式监测方向发展，提高灵敏度、高精度，研发多种类微型化、智能化的传感器，达到真正的无线网络化、数字化。未来，积极的合作研究将推动这些新型传感器进一步的商业开发。