Een draagbare plantensensor: NCSU-ingenieurs ontwerpen een patch om ziekten en andere stressfactoren te monitoren

RALEIGH – Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een patch ontwikkeld die planten kunnen ‘dragen’ om continu te monitoren op plantenziekten of andere vormen van stress, zoals schade aan gewassen of extreme hitte.

"We hebben een draagbare sensor gemaakt die stress en ziekten bij planten op een niet-invasieve manier monitort door de vluchtige organische stoffen (VOC's) te meten die door planten worden uitgestoten", zegt Qingshan Wei, co-corresponderende auteur van een artikel over het werk. Wei is assistent-professor chemische en biomoleculaire technologie bij NC State.

De huidige methoden voor het testen op stress of ziekte bij planten omvatten het nemen van plantenweefselmonsters en het uitvoeren van een test in een laboratorium. Dit geeft telers echter slechts één meting en er zit een tijdsverschil tussen het moment waarop telers een monster nemen en het moment waarop ze de testresultaten ontvangen.

Planten stoten onder verschillende omstandigheden verschillende combinaties van VOS uit. Door zich te richten op VOS die relevant zijn voor specifieke ziekten of plantenstress, kunnen de sensoren gebruikers waarschuwen voor specifieke problemen.

“Onze technologie monitort de VOC-emissies van de fabriek continu, zonder de fabriek te beschadigen”, zegt Wei. “Het prototype dat we hebben gedemonstreerd slaat deze monitoringgegevens op, maar toekomstige versies zullen de gegevens draadloos verzenden. Met wat wij hebben ontwikkeld kunnen telers problemen in het veld identificeren – ze hoeven niet te wachten op testresultaten van een laboratorium.”

De rechthoekige patches zijn 30 millimeter lang en bestaan uit flexibel materiaal met op grafeen gebaseerde sensoren en flexibele zilveren nanodraden. De sensoren zijn bedekt met verschillende chemische liganden die reageren op de aanwezigheid van specifieke VOC's, waardoor het systeem VOC's kan detecteren en meten in gassen die worden uitgestoten door de bladeren van de plant.

De onderzoekers testten een prototype van het apparaat op tomatenplanten. Het prototype is opgezet om twee soorten stress te monitoren: fysieke schade aan de plant en infectie door P. infestans, de ziekteverwekker die Phytophthora bij tomaten veroorzaakt. Het systeem detecteerde binnen één tot drie uur VOC-veranderingen die verband hielden met de fysieke schade, afhankelijk van hoe dicht de schade zich bij de locatie van de patch bevond.

Het detecteren van de aanwezigheid van P. infestans duurde langer. De technologie registreerde pas drie tot vier dagen nadat onderzoekers de tomatenplanten hadden geënt veranderingen in de VOS-emissies.

"Dit is niet opvallend sneller dan het verschijnen van visuele symptomen van Phytophthora", zegt Wei. “Het monitoringsysteem zorgt er echter voor dat telers niet afhankelijk hoeven te zijn van het detecteren van minieme visuele symptomen. Door voortdurende monitoring kunnen telers plantenziekten zo snel mogelijk identificeren, waardoor ze de verspreiding van de ziekte kunnen beperken.”

"Onze prototypes kunnen al 13 verschillende VOC's van planten met hoge nauwkeurigheid detecteren, waardoor gebruikers een op maat gemaakte sensorarray kunnen ontwikkelen die zich richt op de stress en ziekten waarvan een teler denkt dat deze het meest relevant zijn", zegt Yong Zhu, co-corresponderend auteur van het artikel en Andrew A. Adams Vooraanstaand hoogleraar werktuigbouwkunde en lucht- en ruimtevaarttechniek bij NC State.

"Het is ook belangrijk op te merken dat de materialen redelijk goedkoop zijn", zegt Zhu. “Als de productie zou worden opgeschaald, denken we dat deze technologie betaalbaar zou zijn. We proberen een praktische oplossing te ontwikkelen voor een reëel probleem, en we weten dat de kosten een belangrijke overweging zijn.”

De onderzoekers werken momenteel aan de ontwikkeling van een patch van de volgende generatie die kan monitoren op temperatuur, vochtigheid en andere omgevingsvariabelen, evenals op VOS. En hoewel de prototypes op batterijen werkten en de gegevens ter plaatse werden opgeslagen, zijn de onderzoekers van plan om toekomstige versies op zonne-energie te laten werken en draadloze gegevensoverdracht mogelijk te maken.

De krant, "Real-time monitoring van plantstress via chemiresistieve profilering van vluchtige bladstoffen door een draagbare sensor”, wordt gepubliceerd in het tijdschrift Materie. Co-eerste auteurs van het artikel zijn Zheng Li, een voormalig postdoc bij NC State en nu assistent-professor aan de Universiteit van Shenzhen, en Yuxuan Li, een Ph.D. student aan NC State. Het artikel is co-auteur van Jean Ristaino, William Neal Reynolds Distinguished Professor of Plant Pathology bij NC State; Oindrila Hossain, Rajesh Paul en Shuang Wu, beiden Ph.D. studenten aan NC State; en Shanshan Yao, een voormalig postdoc bij NC State, die nu assistent-professor is aan de Stony Brook University.

Het werk werd gedaan met steun van het Faculty Excellence Program van de NC State Chancellor; het Kenan Instituut voor Engineering Technologie & Wetenschap; Het baanbrekende onderzoeksstimuleringsprogramma van NC State voor het Plant Science Initiative (GRIP4PSI); de NC State Center for Human Health and the Environment Pilot Project Award van het Amerikaanse ministerie van Landbouw, nummer 2019-67030-29311; USDA APHIS Farm Bill-subsidienummer 3.0096; en de National Science Foundation, onder subsidienummer 1728370.

(C) NCSU

Originele artikelbron: WRAL TechWire