2021年3月9日，浙江大學生物系統工程與食品科學學院（應義斌、劉湘江）、信電學院（汪小知）、農業與生物技術學院（胡仲遠）在國際知名期刊《Advanced Science》聯合發布了一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，持續監測植物體內水分的動態傳輸和分配過程，所觀察到科學現象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。
圖1 植物可穿戴莖流傳感器
水是生命的載體。植物莖流（Stem sap flow）是植物在蒸騰作用下莖稈中產生的上升液流。我們都知道，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。莖流就好比植物的“血液”。通過對莖流進行長期監測，就能夠探究植物生長過程中一些未知的“秘密”。 然而，現有的莖流檢測方法在測量會對植物造成物理傷害，到目前為止還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，浙江大學多個科研團隊開展跨學科交叉研究，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，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長期“共生”的目的，最終實現在自然生長狀態下長期觀察莖流的目的。此工作為今后研制植物可穿戴傳感器提供新的研究范式。
圖2 傳感器結構示意圖
在此基礎上，研究團隊以西瓜為對象開展了研究。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不同器官（葉片、果實、莖稈）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，即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。
圖3 成熟期西瓜晝夜莖流變化規律。
這個反常識性的發現同時不僅具有重要的科學價值，同時具有巨大應用前景。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進行全新解析，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。
參與此次合作研究的團隊和主要人員：
浙江大學 智能生物產業裝備創新團隊（IBE）應義斌、劉湘江
浙江大學 智能傳感與微納集成團隊 汪小知
浙江大學 蔬菜種質創新與分子設計育種團隊 胡仲遠
本研究主要實驗工作由IBE團隊碩士生陳楚奕、柴揚帆接力完成，歷時四年。
參考文獻：Yangfan Chai#, Chuyi Chen#, Xuan Luo, Shijie Zhan, Jongmin Kim, Jikui Luo, Xiaozhi Wang*, Zhongyuan Hu*, Yibin Ying*, Xiangjiang Liu*. Cohabiting Plant-Wearable Sensor In Situ Monitors Water Transport in Plant. Advanced Science, 2021, 2003642.
原文鏈接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202003642
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