用于植物监测和精准农业的便携式系统:进展和展望


发布时间:

2023-01-06

来源:

植物表型资讯

作者:

PhenoTrait

全球气候变化对作物生产的毁灭性影响和人口的指数增长对农业产量构成了重大挑战。为了解决这一问题,作物性能监测变得越来越必要。在这种情况下,使用能够检测植物适应性变化并预测其形态和生理演变的传感器和生物传感器已被证明是提高作物产量的有用策略。柔性传感器和纳米材料激发了可穿戴和植物便携式设备的新兴领域,这些设备提供了形态、生理、生化和环境参数的连续和准确的长期传感。
 
本文通过讨论用于工程植物、监测其形态特征和生理过程以及植物-环境相互作用的可穿戴和集成设备,概述了新型植物传感技术。对于每个应用场景,最先进的传感解决方案根据它们所安装的植物器官进行分组,突出其主要技术优势和特点。
 
最后,讨论了未来的机遇、挑战和展望。我们预计,这项技术在农业中的应用将为农民和植物科学家提供更准确的测量,并能够实时跟踪作物性能。所有这些信息对于通过量身定制的处理快速优化植物发育至关重要,即使在有压力的条件下也能改善植物的整体健康,最终目标是以更可持续的方式提高作物产量。
 

图1 生长监测:植株茎、叶和果实部分配备了便携式系统。文献中提出的植物可穿戴设备的例子:A.一种由聚丙烯酸与涂有聚安宁的导电纳米填料还原氧化石墨烯(PAA-RGO-PANI)双网络开发的超薄可穿戴传感器;B. 用于黄瓜膨胀的碳纳米管应变传感器;C.一种可拉伸的压阻传感器,该传感器基于夹在两层聚二甲硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)之间的皱巴巴的金色金属丝,用于测量茎秆伸长。D. 壳聚糖(Chitosan, CH)导电油墨刷在黄瓜上,测量黄瓜切割后的生长和还原情况。E. 一种用于辣椒植物的松紧带压阻传感器。

 

图2 水分的吸收、运输和蒸腾监测:左侧植株茎和叶配备了便携式系统。右边显示了文献中提出的植物便携式传感器的例子。A .西瓜植株的光学图像,传感器安装在其茎上,记录了一天的树液流量变化。B.附着在叶片下表面的氧化石墨烯(graphene oxide, GO)基湿度传感器,截面内部结构示意图,传感器对干旱胁迫的电容随时间的响应,浇水1天和6天叶片气孔的图像以及气孔大小变化的统计结果。C.插入番茄植株茎内的生物电阻,并连接到读出系统。D. 纺织装置植入物的细节和通过植物茎连接的银门。

 

图3 代谢物和离子含量监测:植物茎和叶配备便携式系统。文献中提出的植物便携式传感器(包括植入物)的示例如图a所示,其中有机电化学晶体管(organic electrochemical transistors,OECT)生物传感器被放置在感兴趣的组织中,树的成熟木质部,以及树的维管组织的插图。蔗糖从韧皮部卸载到木质部(黑色箭头),然后通过蒸腾流运输。B.使用OECT葡萄糖传感器监测分离叶绿体葡萄糖输出的设置概述。此外,还描述了葡萄糖氧化酶功能化的OECT通道和门的结构

 

图4 小气候监测:植物叶子装有便携式系统。右边显示了文献中提出的植物便携式传感器的例子。A .叶片上的多功能可拉伸传感器的示意图和演示,以及叶片传感器的图表和爆炸视图,该传感器可以适应玉米叶片的形态并随叶片一起变形; B.传感器安装在叶片上,安装叶片传感器的特写; C.超过350小时的植株监测:从上到下依次显示室内湿度、光照、室温和叶片湿度; D.多功能蝴蝶形传感器附着在植物叶片上,通过缩放植物叶片来监测温度和湿度水平。

 

图5 植物病害监测:植物叶片配备便携式系统。右边显示了文献中提出的植物便携式和可穿戴传感器的例子。春雷霉素(kasugamycin,KAS)和锌离子(Zn2+)触发KAS释放氧化锌量子点(ZnO QDs)的合成过程。

 

 

来 源

Lo Presti, D., Di Tocco, J., Massaroni, C., Cimini, S., De Gara, L., Singh, S., Raucci, A., Manganiello, G., Woo, S.L., Schena, E., Cinti, S., Current understanding, challenges and perspective on portable systems applied to plant monitoring and precision agriculture, Biosensors and Bioelectronics (2023).

 

编 辑

王春颖

 

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