En bærbar plantesensor: NCSU-ingeniører designer plaster til at overvåge for sygdomme og andre stressfaktorer

RALEIGH – Forskere fra North Carolina State University har udviklet et plaster, som planter kan "bære" for løbende at overvåge for plantesygdomme eller andre belastninger, såsom afgrødeskader eller ekstrem varme.

"Vi har skabt en bærbar sensor, der overvåger plantestress og sygdom på en ikke-invasiv måde ved at måle de flygtige organiske forbindelser (VOC'er), der udsendes af planter," siger Qingshan Wei, medkorresponderende forfatter til et papir om værket. Wei er assisterende professor i kemisk og biomolekylær teknik ved NC State.

Nuværende metoder til testning for plantestress eller sygdom involverer at tage plantevævsprøver og udføre en analyse i et laboratorium. Dette giver dog kun en måling, og der er en tidsforskydning mellem, hvornår avlerne tager en prøve, og når de får testresultaterne.

Planter udsender forskellige kombinationer af VOC'er under forskellige omstændigheder. Ved at målrette VOC'er, der er relevante for specifikke sygdomme eller plantestress, kan sensorerne advare brugerne om specifikke problemer.

"Vores teknologi overvåger VOC-emissioner fra anlægget kontinuerligt uden at skade anlægget," siger Wei. "Prototypen, vi har demonstreret, gemmer disse overvågningsdata, men fremtidige versioner vil overføre dataene trådløst. Det, vi har udviklet, gør det muligt for avlere at identificere problemer i marken – de ville ikke skulle vente på at modtage testresultater fra et laboratorium."

De rektangulære plastre er 30 millimeter lange og består af et fleksibelt materiale indeholdende grafenbaserede sensorer og fleksible sølv nanotråde. Sensorerne er belagt med forskellige kemiske ligander, der reagerer på tilstedeværelsen af specifikke VOC'er, hvilket gør det muligt for systemet at detektere og måle VOC'er i gasser, der udsendes af plantens blade.

Forskerne testede en prototype af enheden på tomatplanter. Prototypen blev sat op til at overvåge for to typer stress: fysisk skade på planten og infektion ved P. infestans, patogenet, der forårsager sen sygdom hos tomater. Systemet registrerede VOC-ændringer forbundet med den fysiske skade inden for en til tre timer, afhængigt af hvor tæt skaden var på stedet for plastret.

Registrering af tilstedeværelsen af P. infestans tog længere tid. Teknologien opfangede ikke ændringer i VOC-emissioner før tre til fire dage efter, at forskere inokulerede tomatplanterne.

"Dette er ikke markant hurtigere end udseendet af visuelle symptomer på sen sygdom," siger Wei. "Men overvågningssystemet betyder, at avlerne ikke behøver at være afhængige af at opdage små visuelle symptomer. Kontinuerlig overvågning vil give avlerne mulighed for at identificere plantesygdomme så hurtigt som muligt, hvilket hjælper dem med at begrænse spredningen af sygdommen."

"Vores prototyper kan allerede detektere 13 forskellige plante-VOC'er med høj nøjagtighed, hvilket giver brugerne mulighed for at udvikle et tilpasset sensorarray, der fokuserer på de belastninger og sygdomme, som en avler mener er mest relevante," siger Yong Zhu, co-korrespondrende forfatter til papiret og Andrew A. Adams Distinguished Professor of Mechanical and Aerospace Engineering ved NC State.

"Det er også vigtigt at bemærke, at materialerne er forholdsvis lave omkostninger," siger Zhu. "Hvis produktionen blev skaleret op, tror vi, at denne teknologi ville være overkommelig. Vi forsøger at udvikle en praktisk løsning på et problem i den virkelige verden, og vi ved, at omkostninger er en vigtig overvejelse."

Forskerne arbejder i øjeblikket på at udvikle en næste generations plaster, der kan overvåge temperatur, luftfugtighed og andre miljøvariabler samt VOC'er. Og mens prototyperne var batteridrevne og opbevarede dataene på stedet, planlægger forskerne, at fremtidige versioner skal være solcelledrevne og i stand til trådløs dataoverførsel.

Papiret, "Realtidsovervågning af plantespændinger via kemiresistiv profilering af flygtige blade med en bærbar sensor", er publiceret i tidsskriftet Stof. Co-first forfattere af papiret er Zheng Li, en tidligere postdoc ved NC State, som nu er assisterende professor ved Shenzhen University, og Yuxuan Li, en Ph.D. studerende ved NC State. Papiret var medforfatter af Jean Ristaino, William Neal Reynolds Distinguished Professor of Plant Pathology ved NC State; Oindrila Hossain, Rajesh Paul og Shuang Wu, der er ph.d. studerende ved NC State; og Shanshan Yao, en tidligere postdoc ved NC State, som nu er assisterende professor ved Stony Brook University.

Arbejdet blev udført med støtte fra NC State Chancellor's Faculty Excellence Program; Kenan Institute for Engineering Technology & Science; NC State's Game-Changing Research Incentive Program for Plant Science Initiative (GRIP4PSI); NC State Center for Human Health and the Environment Pilot Project Award fra US Department of Agriculture, nummer 2019-67030-29311; USDA APHIS Farm Bill bevilling nummer 3.0096; og National Science Foundation, under bevilling 1728370.

(C) NCSU

Original artikelkilde: WRAL TechWire