最近，浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院IBE團隊劉湘江、應義斌，信息與電子工程學院汪小知和農(nóng)業(yè)與生物技術學院胡仲遠，為植物聯(lián)合發(fā)明一款穿戴式“電子皮膚” 。 時至今日，通過穿戴電子設備監(jiān)測心率、脈搏等，已經(jīng)成為健康管理的重要一環(huán) 。
這種植物可穿戴莖流傳感器，通過將柔性穿戴電子技術應用到植物體表，成功在自然生長狀態(tài)下，首次持續(xù)監(jiān)測草本植物體內水分的動態(tài)傳輸和分配過程 。 同時，科研人員還發(fā)現(xiàn)植物果實生長與光合作用不同步的現(xiàn)象，這不僅改變人們長期以來對植物生長發(fā)育過程的基本認識，更將為作物高產(chǎn)育種及栽培技術研發(fā)提供新的思路 。
這項研究，近日刊發(fā)在《先進科學》上 。
柔性傳感器實現(xiàn)植物生理監(jiān)測
眾所周知，血液是維持人體生命活動的重要物質，通過血液循環(huán)能夠把人體所需要的各種營養(yǎng)物質，運輸?shù)礁鱾€組織和器官 。
植物也有類似也“血液”的物質，被稱為莖流，是植物在蒸騰作用、滲透勢等內外部壓力下莖稈中產(chǎn)生的上升液流 。 莖流也是植物水分、養(yǎng)分、信號分子運輸?shù)妮d體 。 因此，實現(xiàn)對莖流的長期實時監(jiān)測就能夠探究植物生長過程水養(yǎng)分分配、信號傳導以及植物對環(huán)境的響應機制等奧秘 。
然而，現(xiàn)有的莖流檢測方法多為大型侵入式探測器，在測量時會對植物造成物理傷害，而且儀器體積大限制了它們在草本植物上的應用 。 很長一段時間內，科學界沒有一種方法可以在自然生長狀態(tài)下長期監(jiān)測植物莖流 。
為了解決這一難題，來自浙江大學的智能生物產(chǎn)業(yè)裝備創(chuàng)新團隊（IBE）、智能傳感與微納集成團隊、蔬菜種質創(chuàng)新與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，制備了一種植物可穿戴式莖流傳感器 。
采訪人員看到，這款傳感器薄如蠶翼，厚度僅0.01毫米，重0.24克，如同“紋身”一樣，能貼附在植物莖稈表面進行莖流監(jiān)測 。
另一個工程難題是避免傳感器對植物生理產(chǎn)生影響 。 研究團隊通過特殊設計，使得植物正常生長發(fā)育所需的陽光、氧氣、水和二氧化碳能夠自由通過傳感器，實現(xiàn)了傳感器與植物的長期“和平共處”，最終實現(xiàn)在自然生長狀態(tài)下長期觀察莖流的目的 。
【科學家研制植物可穿戴莖流傳感器】“這項工作為今后研制植物可穿戴傳感器提供新的研究范式 。 ”汪小知介紹，未來如何針對特定植物表面結構和生理特性，設計制備可穿戴傳感器，如何評估傳感器對植物生長和生理的影響，都可以從他們的研究中找到技術路徑 。
發(fā)現(xiàn)西瓜生長竟在夜晚生長
工欲善其事必先利其器，有了這么好的檢測“傳感器”，科研團隊開展了一系列豐富的研究 。
浙大科研人員在西瓜莖干上幾個關鍵位點部署了莖流傳感器，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(tài)分配情況 。 通過對莖流數(shù)據(jù)的分析，研究團隊首次發(fā)現(xiàn)了西瓜果實生長與光合作用不同步的現(xiàn)象 。
西瓜果實絕大部份是水（95%左右），然而徑流傳感器測量發(fā)現(xiàn)：在白天只有極少部分水被運輸入果實用于生長（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?shù)焦麑?，絕對莖流量相對日間增加了10倍 。
“白天積累的光合產(chǎn)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，從而實現(xiàn)了果實的重量增加與體積膨大” 胡仲遠表示，這一發(fā)現(xiàn)也間接證明西瓜果實生長主要在夜間 。
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