Czujnik roślin do noszenia: inżynierowie NCSU projektują łatkę do monitorowania chorób i innych czynników stresogennych

RALEIGH – Naukowcy z North Carolina State University opracowali plaster, który rośliny mogą „nosić” w celu ciągłego monitorowania pod kątem chorób roślin lub innych czynników stresogennych, takich jak uszkodzenia upraw lub ekstremalne upały.

„Stworzyliśmy czujnik do noszenia, który w nieinwazyjny sposób monitoruje stres i choroby roślin, mierząc lotne związki organiczne (LZO) emitowane przez rośliny” – mówi Qingshan Wei, współautor korespondencji artykułu na temat pracy. Wei jest adiunktem inżynierii chemicznej i biomolekularnej w NC State.

Obecne metody badania stresu lub choroby roślin obejmują pobieranie próbek tkanek roślinnych i przeprowadzanie testów w laboratorium. Daje to jednak hodowcom tylko jeden pomiar, a pomiędzy pobraniem próbki a otrzymaniem wyników testu występuje opóźnienie czasowe.

Rośliny emitują różne kombinacje LZO w różnych okolicznościach. Celując w LZO, które są istotne dla określonych chorób lub stresu roślin, czujniki mogą ostrzegać użytkowników o określonych problemach.

„Nasza technologia monitoruje w sposób ciągły emisję LZO z zakładu, nie uszkadzając zakładu” – mówi Wei. „Zademonstrowany przez nas prototyp przechowuje dane z monitorowania, ale przyszłe wersje będą przesyłać je bezprzewodowo. To, co opracowaliśmy, pozwala hodowcom identyfikować problemy na polu – nie musieliby czekać na wyniki testów z laboratorium”.

Prostokątne plastry mają długość 30 milimetrów i składają się z elastycznego materiału zawierającego czujniki na bazie grafenu i elastycznych nanodrutów srebra. Czujniki są pokryte różnymi ligandami chemicznymi, które reagują na obecność określonych LZO, umożliwiając systemowi wykrywanie i pomiar LZO w gazach emitowanych przez liście rośliny.

Naukowcy przetestowali prototyp urządzenia na roślinach pomidora. Prototyp zaprojektowano tak, aby monitorował dwa rodzaje stresu: fizyczne uszkodzenie rośliny i infekcję P. infestans, patogen wywołujący zarazę późną u pomidorów. System wykrył zmiany LZO związane z uszkodzeniem fizycznym w ciągu jednej do trzech godzin, w zależności od tego, jak blisko miejsca uszkodzenia znajdował się plaster.

Wykrywanie obecności P. infestans trwało dłużej. Technologia wychwyciła zmiany w emisji LZO dopiero po trzech do czterech dniach od zaszczepienia roślin pomidora przez badaczy.

„Nie jest to znacząco szybsze niż pojawienie się wizualnych objawów zarazy” – mówi Wei. „Jednak system monitorowania oznacza, że hodowcy nie muszą polegać na wykrywaniu drobnych objawów wizualnych. Ciągłe monitorowanie umożliwiłoby hodowcom możliwie najszybszą identyfikację chorób roślin, co pomogłoby im ograniczyć rozprzestrzenianie się choroby”.

„Nasze prototypy potrafią już z dużą dokładnością wykryć 13 różnych roślinnych LZO, co pozwala użytkownikom opracować dostosowany do indywidualnych potrzeb zestaw czujników skupiający się na stresach i chorobach, które hodowca uważa za najważniejsze” – mówi Yong Zhu, współautor artykułu do korespondencji i Andrew A. Adams Wybitny profesor inżynierii mechanicznej i lotniczej na Uniwersytecie NC.

„Należy również zauważyć, że materiały są dość tanie” – mówi Zhu. „Uważamy, że gdyby produkcja została zwiększona, ta technologia byłaby przystępna cenowo. Próbujemy opracować praktyczne rozwiązanie rzeczywistego problemu i wiemy, że koszt jest ważnym czynnikiem”.

Naukowcy pracują obecnie nad opracowaniem plastra nowej generacji, który będzie w stanie monitorować temperaturę, wilgotność i inne zmienne środowiskowe, a także LZO. Chociaż prototypy były zasilane bateryjnie i przechowywały dane na miejscu, badacze planują, że przyszłe wersje będą zasilane energią słoneczną i będą zdolne do bezprzewodowego przesyłania danych.

Papier, "Monitorowanie w czasie rzeczywistym naprężeń roślin poprzez chemiorezystancyjne profilowanie substancji lotnych w liściach za pomocą czujnika do noszenia” – ukazuje się w czasopiśmie Materiał. Współautorami artykułu są Zheng Li, były postdoc w NC State, obecnie adiunkt na Uniwersytecie w Shenzhen, oraz Yuxuan Li, doktorant. student NC State. Współautorami artykułu są: Jean Ristaino, William Neal Reynolds, wybitny profesor patologii roślin na Uniwersytecie NC; Oindrila Hossain, Rajesh Paul i Shuang Wu, którzy mają stopień doktora. studenci stanu NC; oraz Shanshan Yao, była doktorantka w NC State, obecnie adiunkt na Uniwersytecie Stony Brook.

Prace wykonano przy wsparciu programu doskonałości wydziałowej rektora stanu NC; Instytut Kenana ds. Inżynierii, Technologii i Nauki; Program motywacyjny w zakresie badań zmieniających zasady gry stanu Karolina Północna na rzecz Inicjatywy Naukowej o Roślinach (GRIP4PSI); nagroda NC State Center for Human Health and the Environment Pilot Project Award przyznana przez Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych, numer 2019-67030-29311; Numer dotacji USDA APHIS Farm Bill 3.0096; oraz National Science Foundation w ramach grantu 1728370.

(C) NCSU

Oryginalne źródło artykułu: WRALTechWire