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戴上薄如蟬翼的“電子皮膚”,浙大學者發現西瓜更喜歡在夜里生長

發布時間:2021-03-24來源:浙大新聞辦作者:柯溢能0

時至今日,通過穿戴電子設備監測心率、脈搏等,已經成為健康管理的重要一環。而在最近,浙江大學生物系統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業與生物技術學院胡仲遠,則為植物聯合發明一款穿戴式“電子皮膚”。

1 植物可穿戴莖流傳感器

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下,首次持續監測草本植物體內水分的動態傳輸和分配過程。同時,科研人員還發現植物果實生長與光合作用不同步的現象,這不僅改變人們長期以來對植物生長發育過程的基本認識,更將為作物高產育種及栽培技術研發提供新的思路。

這項研究,近日刊發在國際知名期刊《先進科學》(Advanced Science),論文共同第一作者為IBE團隊的碩士生柴揚帆和陳楚弈。

形似“紋身”的柔性傳感器

實現自然狀態下的植物生理監測

眾所周知,血液是維持人體生命活動的重要物質,通過血液循環能夠把人體所需要的各種營養物質,運輸到各個組織和器官。

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生的上升液流。莖流也是植物水分、養分、信號分子運輸的載體。因此,實現對莖流的長期實時監測就可以,就能夠探究植物生長過程水養分分配、信號傳導以及植物對環境的響應機制等奧秘。

然而,現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下長期監測植物莖流。

為了解決這一難題,來自浙江大學的智能生物產業裝備創新團隊(IBE)、智能傳感與微納集成團隊、蔬菜種質創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。

記者看到,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測。

另一個工程難題是避免傳感器對植物生理產生影響。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感器,實現了傳感器與植物的長期“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。


2 傳感器的透水、透光、透氣性


3 傳感器的生物相容性

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?!蓖粜≈榻B,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。

發現西瓜生長竟在夜晚生長

或對節水灌溉提供新思路

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),然而徑流傳感器測量發現: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到果實,絕對莖流量相對日間增加了10。

4 成熟期西瓜晝夜莖流變化和水分分配規律

白天積累的光合產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,從而實現了果實的重量增加與體積膨大” 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。

這一發現改寫了對于植物果實生長的傳統認識。教科書中一般認為,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主。

這個反常識性的發現不僅具有重要的科學價值,同時具有良好的應用前景。浙大科研團隊表示,水是珍貴的農業資源,基于莖流對西瓜等耐旱作物體內水分運輸和抗旱機理的解析,將為全球干旱地區的農業生產、節水灌溉、抗旱作物選育提供了新理論依據和技術支持。

本研究受到國家自然科學基金(31971778)、國家重點研發計劃(2017YFC1601700, 2019YFD1000303, 2019YFD1001904)、浙江省重點研發計劃(2021C05003)的支持。

原文鏈接:https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202003642

(文 柯溢能/圖片由受訪人提供)

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