Ein tragbarer Pflanzensensor: NCSU-Ingenieure entwickeln Pflaster zur Überwachung auf Krankheiten und andere Stressfaktoren

RALEIGH – Forscher der North Carolina State University haben ein Pflaster entwickelt, das Pflanzen „tragen“ können, um es kontinuierlich auf Pflanzenkrankheiten oder andere Belastungen wie Ernteschäden oder extreme Hitze zu überwachen.

„Wir haben einen tragbaren Sensor entwickelt, der Pflanzenstress und -krankheiten auf nichtinvasive Weise überwacht, indem er die von Pflanzen emittierten flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) misst“, sagt er Qingshan Wei, Co-korrespondierender Autor eines Artikels über das Werk. Wei ist Assistenzprofessor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der NC State.

Aktuelle Methoden zum Testen von Pflanzenstress oder Pflanzenkrankheiten umfassen die Entnahme von Pflanzengewebeproben und die Durchführung eines Tests in einem Labor. Dadurch steht den Erzeugern jedoch nur eine Messung zur Verfügung, und es gibt eine Zeitverzögerung zwischen der Entnahme einer Probe durch die Erzeuger und dem Erhalt der Testergebnisse.

Pflanzen emittieren unter verschiedenen Umständen unterschiedliche Kombinationen von VOCs. Indem die Sensoren auf VOCs abzielen, die für bestimmte Krankheiten oder Pflanzenstress relevant sind, können sie Benutzer auf bestimmte Probleme aufmerksam machen.

„Unsere Technologie überwacht die VOC-Emissionen der Anlage kontinuierlich, ohne die Anlage zu schädigen“, sagt Wei. „Der von uns gezeigte Prototyp speichert diese Überwachungsdaten, zukünftige Versionen werden die Daten jedoch drahtlos übertragen. Was wir entwickelt haben, ermöglicht es Landwirten, Probleme vor Ort zu erkennen – sie müssten nicht auf Testergebnisse aus einem Labor warten.“

Die rechteckigen Patches sind 30 Millimeter lang und bestehen aus einem flexiblen Material, das Sensoren auf Graphenbasis und flexible Silbernanodrähte enthält. Die Sensoren sind mit verschiedenen chemischen Liganden beschichtet, die auf das Vorhandensein spezifischer VOCs reagieren, sodass das System VOCs in den von den Blättern der Pflanze abgegebenen Gasen erkennen und messen kann.

Die Forscher testeten einen Prototyp des Geräts an Tomatenpflanzen. Der Prototyp wurde eingerichtet, um zwei Arten von Stress zu überwachen: physische Schäden an der Pflanze und Infektionen durch P. infestans, der Erreger, der bei Tomaten die Kraut- und Knollenfäule verursacht. Das System erkannte VOC-Veränderungen im Zusammenhang mit dem physischen Schaden innerhalb von ein bis drei Stunden, je nachdem, wie nah der Schaden an der Stelle des Pflasters lag.

Erkennen der Anwesenheit von P. infestans dauerte länger. Die Technologie erkannte Veränderungen der VOC-Emissionen erst drei bis vier Tage nach der Inokulation der Tomatenpflanzen durch die Forscher.

„Dies ist nicht wesentlich schneller als das Auftreten visueller Symptome der Kraut- und Knollenfäule“, sagt Wei. „Dank des Überwachungssystems müssen sich Landwirte jedoch nicht auf die Erkennung winziger visueller Symptome verlassen. Eine kontinuierliche Überwachung würde es den Landwirten ermöglichen, Pflanzenkrankheiten so schnell wie möglich zu erkennen und so die Ausbreitung der Krankheit einzudämmen.“

„Unsere Prototypen können bereits 13 verschiedene pflanzliche VOCs mit hoher Genauigkeit erkennen und ermöglichen es Benutzern, eine maßgeschneiderte Sensoranordnung zu entwickeln, die sich auf die Belastungen und Krankheiten konzentriert, die ein Züchter für am relevantesten hält“, sagt Yong Zhu, Mitautor des Papiers und Andrew A. Adams, angesehener Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der NC State.

„Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Materialien relativ kostengünstig sind“, sagt Zhu. „Wenn die Fertigung ausgeweitet würde, wäre diese Technologie unserer Meinung nach erschwinglich. Wir versuchen, eine praktische Lösung für ein reales Problem zu entwickeln, und wir wissen, dass die Kosten ein wichtiger Gesichtspunkt sind.“

Die Forscher arbeiten derzeit an der Entwicklung eines Pflasters der nächsten Generation, das Temperatur, Luftfeuchtigkeit und andere Umgebungsvariablen sowie VOCs überwachen kann. Und während die Prototypen batteriebetrieben waren und die Daten vor Ort speicherten, planen die Forscher, zukünftige Versionen solarbetrieben zu machen und eine drahtlose Datenübertragung zu ermöglichen.

Das Papier, "Echtzeitüberwachung von Pflanzenstress durch chemiresistive Profilierung flüchtiger Blattbestandteile durch einen tragbaren Sensor„, wird in der Zeitschrift veröffentlicht Gegenstand. Co-Erstautoren des Papiers sind Zheng Li, ein ehemaliger Postdoc an der NC State, der jetzt Assistenzprofessor an der Shenzhen University ist, und Yuxuan Li, ein Ph.D. Student an der NC State. Der Artikel wurde gemeinsam von Jean Ristaino, William Neal Reynolds Distinguished Professor für Pflanzenpathologie an der NC State, verfasst; Oindrila Hossain, Rajesh Paul und Shuang Wu, die Ph.D. Studenten an der NC State; und Shanshan Yao, ein ehemaliger Postdoc an der NC State, der jetzt Assistenzprofessor an der Stony Brook University ist.

Die Arbeit wurde mit Unterstützung des Faculty Excellence Program des NC State Chancellor durchgeführt; das Kenan Institute for Engineering Technology & Science; Das bahnbrechende Forschungsanreizprogramm des US-Bundesstaates NC für die Plant Science Initiative (GRIP4PSI); der NC State Center for Human Health and the Environment Pilot Project Award des US-Landwirtschaftsministeriums, Nummer 2019-67030-29311; USDA APHIS Farm Bill-Zuschussnummer 3.0096; und der National Science Foundation, unter der Fördernummer 1728370.

(C) NCSU

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire