Puettava kasvianturi: NCSU:n insinöörit suunnittelevat paikan sairauksien ja muiden stressitekijöiden tarkkailemiseksi

RALEIGH – North Carolina State Universityn tutkijat ovat kehittäneet laastarin, jota kasvit voivat "käyttää" seuratakseen jatkuvasti kasvisairauksia tai muita rasituksia, kuten satovaurioita tai äärimmäistä kuumuutta.

"Olemme luoneet puettavan anturin, joka tarkkailee kasvien stressiä ja tauteja ei-invasiivisella tavalla mittaamalla kasvien emittoimia haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (VOC), sanoo Qingshan Wei, työstä kertovan artikkelin kirjoittaja. Wei on kemian ja biomolekyylitekniikan apulaisprofessori NC Statessa.

Nykyiset menetelmät kasvien stressin tai sairauksien testaamiseksi sisältävät kasvikudosnäytteiden ottamisen ja määrityksen suorittamisen laboratoriossa. Tämä antaa viljelijöille kuitenkin vain yhden mittauksen, ja viljelijän näytteenoton ja testitulosten saamisen välillä on aikaviive.

Kasvit vapauttavat erilaisia VOC-yhdistelmiä eri olosuhteissa. Kohdistamalla VOC-yhdisteisiin, jotka liittyvät tiettyihin sairauksiin tai kasvien stressiin, anturit voivat varoittaa käyttäjiä tietyistä ongelmista.

"Teknologiamme tarkkailee VOC-päästöjä tehtaalta jatkuvasti vahingoittamatta laitosta", Wei sanoo. ”Esittelemämme prototyyppi tallentaa nämä seurantatiedot, mutta tulevat versiot välittävät tiedot langattomasti. Kehittämämme avulla viljelijät voivat tunnistaa ongelmia pellolla – heidän ei tarvitse odottaa testituloksia laboratoriosta.

Suorakaiteen muotoiset laastarit ovat 30 millimetriä pitkiä ja koostuvat joustavasta materiaalista, joka sisältää grafeenipohjaisia antureita ja joustavia hopeananolankoja. Anturit on päällystetty erilaisilla kemiallisilla ligandeilla, jotka reagoivat tiettyjen VOC-yhdisteiden läsnäoloon, jolloin järjestelmä voi havaita ja mitata VOC-yhdisteitä kasvin lehtien lähettämistä kaasuista.

Tutkijat testasivat laitteen prototyyppiä tomaatin kasveilla. Prototyyppi perustettiin seuraamaan kahden tyyppistä stressiä: kasvin fyysisiä vaurioita ja infektioita P. infestans, taudinaiheuttaja, joka aiheuttaa myöhäistä ruttotautia tomaateissa. Järjestelmä havaitsi fyysiseen vaurioon liittyvät VOC-muutokset 1–3 tunnin kuluessa riippuen siitä, kuinka lähellä vaurio oli laastarin kohtaa.

läsnäolon havaitseminen P. infestans kesti kauemmin. Tekniikka havaitsi muutoksia VOC-päästöissä vasta kolmesta neljään päivään sen jälkeen, kun tutkijat siirrostivat tomaattikasvit.

"Tämä ei ole huomattavasti nopeampi kuin myöhäisruttotaudin visuaalisten oireiden ilmaantuminen", Wei sanoo. ”Valvontajärjestelmän ansiosta viljelijöiden ei tarvitse kuitenkaan luottaa pienten visuaalisten oireiden havaitsemiseen. Jatkuva seuranta antaisi viljelijöille mahdollisuuden tunnistaa kasvitaudit mahdollisimman nopeasti, mikä auttaisi heitä rajoittamaan taudin leviämistä.

"Prototyyppimme pystyvät havaitsemaan jo 13 erilaista kasvin VOC-yhdistettä suurella tarkkuudella, minkä ansiosta käyttäjät voivat kehittää räätälöidyn anturiryhmän, joka keskittyy stressiin ja sairauksiin, joita viljelijä pitää tärkeimpänä", sanoo Yong Zhu, paperin kirjoittaja. Andrew A. Adams Mekaniikka- ja ilmailutekniikan ansioitunut professori NC Statessa.

"On myös tärkeää huomata, että materiaalit ovat melko edullisia", Zhu sanoo. ”Jos valmistusta laajennetaan, uskomme tämän teknologian olevan edullinen. Yritämme kehittää käytännön ratkaisua todelliseen ongelmaan, ja tiedämme, että kustannukset ovat tärkeä näkökohta."

Tutkijat työskentelevät parhaillaan kehittääkseen seuraavan sukupolven laastaria, joka voi seurata lämpötilaa, kosteutta ja muita ympäristömuuttujia sekä VOC-yhdisteitä. Ja vaikka prototyypit olivat akkukäyttöisiä ja varastoivat tiedot paikan päällä, tutkijat suunnittelevat tulevia versioita aurinkoenergialla ja langattomaan tiedonsiirtoon.

Paperi, "Reaaliaikainen kasvien rasituksen seuranta puettavan anturin avulla tapahtuvan lehtien haihtuvien aineiden kemiresistisen profiloinnin avulla”, julkaistaan lehdessä Asia. Paperin ensimmäisiä kirjoittajia ovat Zheng Li, entinen postdoc NC Statessa, joka on nyt apulaisprofessori Shenzhenin yliopistossa, ja Yuxuan Li, Ph.D. opiskelija NC Statessa. Paperi oli mukana kirjoittamassa Jean Ristaino, William Neal Reynolds Distinguished Professor of Plant Pathology at NC State; Oindrila Hossain, Rajesh Paul ja Shuang Wu, jotka ovat Ph.D. opiskelijat NC State; ja Shanshan Yao, entinen postdoc NC Statessa, joka on nyt apulaisprofessori Stony Brookin yliopistossa.

Työ tehtiin NC:n valtiokanslerin tiedekunnan huippuosaamisen ohjelman tuella; Kenan Institute for Engineering Technology & Science; NC Staten Game-Changing Research Incentive Program for Plant Science Initiative (GRIP4PSI); Yhdysvaltain maatalousministeriön myöntämä NC State Center for Human Health and Environment Pilot Project Award, numero 2019-67030-29311; USDA APHIS Farm Bill apurahanumero 3.0096; ja National Science Foundation, apuraha 1728370.

(C) NCSU

Alkuperäinen artikkelin lähde: WRAL TechWire