无损传感器在帮助加强可持续农业方面的前景广阔

(A) 应用热凝胶监测来自多毛茎植物的电势信号 (Luo et al., 2021)。(B) 印刷导电聚合物使阻抗谱能够检测臭氧损害（Kim 等人，2020 年）。(C) 使用智能手机集成的化学传感器阵列检测植物 VOCs (Li et al., 2019)。(D) 传感器阵列在暴露于感染 Pseudomonas infestans 的番茄植物后的差异显色响应 (Li et al., 2019)。(E) 主成分分析 (PCA) 图基于化学传感器阵列区分番茄植物的致病性感染 (Li et al., 2019)。图片来源：植物科学前沿（2022 年）。DOI: 10.3389/fpls.2022.884454

来自麻省理工学院在新加坡的研究企业新加坡麻省理工学院研究与技术联盟 (SMART) 的颠覆性与可持续农业技术 (DiSTAP) 跨学科研究小组 (IRG) 的研究人员，以及来自材料研究所的当地合作者和新加坡国立大学 (NUS) 工程部 (IMRE)、科学、技术和研究局 (A*STAR) 以及化学和生物分子工程系 (ChBE) 发表了一篇评论，讨论了非破坏性植物健康监测，从基于电化学的阵列到纳米传感器和电子鼻，以及为什么跟踪植物健康是一种有吸引力且可持续的策略，可用于优化作物生长实践。该审查旨在激发植物健康诊断无损技术的未来发展。

为满足全球粮食的迫切需求并为可持续农业铺平道路，农业技术的进步和采用对于缓解全球1.93 亿严重粮食人口的状况至关重要。然而，在提高作物产量和生产力时，需要实施可持续的做法限度地减少对环境的破坏。传统上，农民通常只能在修复措施有限的阶段注意到他们的作物健康状况恶化的迹象。

此外，目前通过基于色谱的分析技术进行的测试是破坏性的，因为它需要冲出会导致受伤和组织破裂的叶子样本。这些方法也很费力，包括对每个数据点的多个植物样本进行基于实验室的提取和处理。因此，科学家们一直在推进农业领域，开发新型传感器和分析工具来帮助农民指导农场管理决策。对植物代谢物使用非破坏性或微创传感器已成为实时监测植物信号通路和植物对指示整体植物健康的外部条件的反应的基本分析工具. 这些传感器可以整合到未来的农业实践中，并在使用准确、预测和环境可控农业的高科技城市农场中实施。

“鉴于全球人口增长和对粮食的担忧导致对粮食的需求不断增加，开发创新和可持续的技术和工具来提高作物产量和质量是及时和必要的。无损植物健康监测是其中之一DiSTAP 研究员兼科学总监 Gajendra Pratap Singh 博士说：

该团队在发表在《植物科学前沿》杂志上的题为“植物健康诊断的无损技术”的评论文章中解释了他们的研究。研究结果表明，传感器可以大致分为检测内部（体内传感器）和外部（植物表面和空气传播）信号分子的传感器。

体内传感器基于电化学传感器或植物纳米仿生传感器。近期的纳米技术进步使电化学和植物纳米仿生传感器能够利用独特的电化学和光学特性表现出更高的灵敏度和选择性。除了内部信号分子外，植物还会在其器官表面以及通过空气中的代谢物（如挥发性有机化合物 (VOC)）发出信号，以进行植物间的交流。检测内部和外部线索，例如表面和空气传播的化合物，可以对植物病害进行非侵入性和实时诊断。

此外，传感器将植物信号转换为数字信号，以建立植物和种植者之间的直接通信。A*STAR IMRE 科学家兼兼职助理 Tedrick Thomas Salim Lew 博士补充说：“通过实时利用植物的生理事件，非破坏性传感器能够迅速调整环境条件，以提高作物生产力，同时有限度地减少资源使用。” NUS ChBE教授，文章的通讯作者。

“该评论深入了解了传感器的用途，这些传感器已成功地从各种重要的农业植物物种中提取时空信息。传感器将开启实时反馈控制方案的可能性，有助于施用肥料和植物生长调节剂以有限度地提高生长，并促进及时干预以有限度地减少植物胁迫造成的产量损失，”DiSTAP 研究科学家和该文章的作者 Mervin Ang 说。

为了应对新加坡和世界食品生产中的重大挑战，DiSTAP 多年来推出了新型分析工具，这些工具快速、无损，能够实时检测和提供来自活植物的信息。这项审查旨在推进可用于研究田间农业相关作物的技术，弥合植物生物学中常用的模式植物与经济重要作物之间的知识差距。