多功能补丁可及早发现植物病害和其他作物威胁

北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种电子贴片，可以应用于植物的叶子，以监测作物的不同病原体——如病毒和真菌感染——以及干旱或盐度等压力。在测试中，研究人员发现该贴片能够在种植者能够检测到任何可见的疾病症状前一个多星期检测到西红柿中的病毒感染。

“这很重要，因为种植者越早发现植物疾病或真菌感染，他们就越有能力限制疾病的传播并保护他们的作物，”该论文的通讯作者和助理 Qingshan Wei 说。北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程教授。

“此外，种植者越快识别非生物胁迫，例如被盐水入侵污染的灌溉水，他们就越有能力应对相关挑战并提高作物产量。”

该技术建立在之前的原型贴片的基础上，该贴片通过监测植物排放的挥发性有机化合物 (VOC) 来检测植物病害。植物在不同情况下会释放出不同的 VOC 组合。通过针对与特定疾病或植物胁迫相关的 VOC，传感器可以提醒用户注意特定问题。

“新的补丁包含额外的传感器，使它们能够监测温度、环境湿度以及植物通过叶子‘呼出’的水分量，”该论文的共同通讯作者 Yong Zhu 和 Andrew A. Adams 说。北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程杰出教授。

贴片本身很小——只有 30 毫米长——由含有传感器和银纳米线电极的柔性材料组成。这些斑块被放置在叶子的下面，那里有更高密度的气孔——这些气孔允许植物通过与环境交换气体来“呼吸”。

研究人员在温室中的番茄植株上测试了新贴片，并试验了包含不同传感器组合的贴片。番茄植株感染了三种不同的病原体：番茄斑萎病毒(TSWV);早疫病，这是一种真菌感染;和晚疫病，这是一种称为卵菌的病原体。这些植物还暴露于各种非生物胁迫，例如过度浇水、干旱条件、光照不足和水中的高盐浓度。

研究人员从这些实验中获取数据并将其输入人工智能程序，以确定哪些传感器组合最有效地识别疾病和非生物胁迫。

“我们检测所有这些挑战的结果总体上很有希望，”魏说。“例如，我们发现在一个贴片上结合使用三个传感器，我们能够在植物首次感染四天后检测到 TSWV。这是一个显着的优势，因为西红柿通常不会在 10-14 天内开始表现出任何 TSWV 的身体症状。”

研究人员表示，他们距离种植者可以使用的补丁还有两步之遥。首先，他们需要使贴片无线化——这是一个相对简单的挑战。其次，他们需要在温室外的田间测试贴片，以确保贴片在现实条件下有效。

“我们目前正在寻找工业和农业合作伙伴来帮助我们推进这项技术的开发和测试，”朱说。“这可能是一个重大进步，可以帮助种植者防止小问题变成大问题，并帮助我们以有意义的方式应对粮食安全挑战。”

论文“用于连续植物生理学监测的远轴叶表面安装多模式可穿戴传感器”将于 4 月 12 日发表在开放获取期刊《科学进展》上. 该论文的第一作者是 Giwon Lee，他曾是北卡罗来纳州立大学的博士后研究员，目前在韩国光云大学任教。该论文由北卡罗来纳州立大学博士后研究员 Tatsiana Shymanovich 合着;Oindrila Hossain、Sina Jamalzadegan、Yuxuan Liu 和 Hongyu Wang，博士。北卡罗来纳州立大学的学生;Amanda Saville，北卡罗来纳州立大学的研究技术员;Rajesh Paul，前博士。北卡罗来纳州立大学的学生;Dorith Rotenberg 和 Anna Whitfield，他们都是北卡罗来纳州立大学的昆虫学和植物病理学教授;和北卡罗来纳州立大学昆虫学和植物病理学 William Neal Reynolds 特聘教授 Jean Ristaino。