北卡罗来纳州立大学的科学家报告说，他们已经开发出一种电子贴片，可以应用于植物的叶子，以监测作物的不同病原体(例如病毒和真菌感染)以及干旱或盐度等压力。在测试中，研究人员发现，该贴片能够在种植者检测到任何明显疾病症状的一周多之前检测到西红柿中的病毒感染。

通过使用多功能贴片早期检测植物病害

“这很重要，因为种植者越早识别植物病害或真菌感染，他们就越能限制疾病的传播并保护作物，”北卡罗来纳州立大学和《科学进展》上论文“用于连续植物生理学监测的远轴叶面安装多模态可穿戴传感器”的通讯作者。“此外，种植者越快识别非生物胁迫，例如被盐水入侵污染的灌溉水，他们就越能应对相关挑战并提高作物产量。”

智慧农业潜力巨大

“可穿戴植物传感器在智能农业方面具有巨大潜力。我们报告了一种下叶表面附着的多模式可穿戴传感器，通过跟踪植物及其微环境的生化和生物物理信号来连续监测植物生理学。用于检测挥发性有机化合物(VOC)、温度和湿度的传感器被集成到一个平台中，”研究人员写道。

“根据气孔密度选择背面叶片附着位置，以提高传感器信号强度。这个多功能平台支持各种胁迫监测应用，从跟踪植物失水到早期检测植物病原体。还开发了一种机器学习模型来分析多通道传感器数据，以便最早在接种后四天定量检测番茄斑萎病毒。该模型还评估了早期疾病检测的不同传感器组合，并预测至少需要三个传感器，包括 VOC 传感器。”

该技术建立在 之前的原型补丁的基础上，该补丁通过监测植物排放的挥发性有机化合物来检测植物病害。植物在不同情况下会排放不同的挥发性有机化合物组合。通过针对与特定疾病或植物胁迫相关的挥发性有机化合物，传感器可以提醒用户注意特定问题。

“新的贴片包含了额外的传感器，使它们能够监测温度、环境湿度以及植物通过叶子‘呼出’的水分量，”该论文的共同通讯作者朱勇博士说。 . 北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程亚当斯杰出教授。

补丁很小

这些贴片本身很小，只有 30 毫米长，由含有传感器和银纳米线电极的柔性材料组成。这些斑块被放置在叶子的底面，这些叶子的气孔密度较高(这些气孔使植物能够通过与环境交换气体来“呼吸”)。

研究人员在温室的番茄植株上测试了新的贴片，并对包含不同传感器组合的贴片进行了实验。番茄植株感染了三种不同的病原体： 番茄斑萎 病毒(TSWV); 早疫病，这是一种真菌感染;和 晚疫病，这是一种称为卵菌的病原体。这些植物还面临各种非生物胁迫，例如过度浇水、干旱条件、缺乏光照和水中高盐浓度。

研究人员从这些实验中获取数据，并将其插入人工智能程序，以确定哪些传感器组合最有效地识别疾病和非生物胁迫。

“我们检测所有这些挑战的结果总体上是有希望的，”魏指出。“例如，我们发现在一块补丁上组合使用三个传感器，我们能够在植物首次感染四天后检测到 TSWV。这是一个显着的优势，因为西红柿通常在 10-14 天内不会开始出现 TSWV 的任何身体症状。”

研究人员表示，他们距离拥有种植者可以使用的补丁还有两步之遥。首先，他们需要使贴片成为无线的，并且需要在温室外的现场测试贴片，以确保贴片能够在现实条件下工作。

“我们目前正在寻找工业和农业合作伙伴来帮助我们推进这项技术的开发和测试，”朱说。“这可能是一个重大进步，可以帮助种植者防止小问题变成大问题，并帮助我们以有意义的方式应对粮食安全挑战。