多功能电子贴片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，在种植者能够检测到任何可见的疾病症状之前一周多，该贴片能够检测到西红柿中的病毒感染。

“这很重要，因为种植者越早能够识别植物病害或真菌感染，他们就越能限制疾病的传播并保护他们的作物，”青山魏说，他是一篇关于这项工作的论文的通讯作者，也是北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程助理教授。“此外，种植者越能越快地识别非生物胁迫，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。

论文“用于连续植物生理监测的远轴叶表面安装多模态可穿戴传感器”于12月<>日发表在开放获取期刊《科学进展》上。

该技术建立在以前的原型补丁之上，该补丁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。植物在不同情况下排放不同的挥发性有机化合物组合。通过针对与特定疾病或植物胁迫相关的挥发性有机化合物，传感器可以提醒用户注意特定问题。

“新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，北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程的Andrew A. Adams杰出教授Yong Zhu说。

这些贴片本身很小 - 只有30毫米长 - 由包含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，叶子具有更高密度的气孔 - 允许植物通过与环境交换气体来“呼吸”的孔隙。

研究人员在温室的番茄植株上测试了新补丁，并尝试了包含不同传感器组合的补丁。番茄植株感染了三种不同的病原体：番茄斑点枯萎病毒(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。这些植物还暴露在各种非生物胁迫下，例如过度浇水，干旱条件，缺乏光照和水中高盐浓度。

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

“我们检测所有这些挑战的结果是有希望的，”Wei说。“例如，我们发现在一个补丁上使用三个传感器的组合，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 到 14 天内开始出现任何 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只有两步之遥。首先，他们需要使补丁无线化——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补丁，以确保补丁在真实条件下工作。

“我们目前正在寻找工业和农业合作伙伴来帮助我们开发和测试这项技术，”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。