En bärbar växtsensor: NCSU-ingenjörer designar lappar för att övervaka sjukdomar och andra stressfaktorer

Publiceringsdatum: 8 juli 2021

RALEIGH – Forskare från North Carolina State University har utvecklat ett plåster som växter kan "bära" för att kontinuerligt övervaka växtsjukdomar eller andra påfrestningar, som skador på skörden eller extrem värme.

"Vi har skapat en bärbar sensor som övervakar växtstress och sjukdomar på ett icke-invasivt sätt genom att mäta de flyktiga organiska föreningarna (VOC) som emitteras av växter", säger Qingshan Wei, medförfattare till en artikel om arbetet. Wei är biträdande professor i kemisk och biomolekylär teknik vid NC State.

Nuvarande metoder för att testa för växtstress eller sjukdomar innebär att man tar växtvävnadsprover och utför en analys i ett labb. Detta ger dock bara odlarna en mätning och det finns en tidsförskjutning mellan det att odlarna tar ett prov och det att de får testresultaten.

Växter avger olika kombinationer av VOC under olika omständigheter. Genom att rikta in sig på VOC som är relevanta för specifika sjukdomar eller växtstress kan sensorerna uppmärksamma användare på specifika problem.

"Vår teknik övervakar VOC-utsläpp från anläggningen kontinuerligt, utan att skada anläggningen", säger Wei. "Prototypen vi har visat lagrar denna övervakningsdata, men framtida versioner kommer att överföra data trådlöst. Det vi har utvecklat gör att odlare kan identifiera problem på fältet – de skulle inte behöva vänta på att få testresultat från ett labb.”

De rektangulära lapparna är 30 millimeter långa och består av ett flexibelt material innehållande grafenbaserade sensorer och flexibla silver nanotrådar. Sensorerna är belagda med olika kemiska ligander som svarar på närvaron av specifika VOC, vilket gör att systemet kan detektera och mäta VOC i gaser som släpps ut av växtens löv.

Forskarna testade en prototyp av enheten på tomatplantor. Prototypen sattes upp för att övervaka två typer av stress: fysisk skada på växten och infektion av P. infestans, patogenen som förorsakar sjukdomen sen blight hos tomater. Systemet upptäckte VOC-förändringar i samband med den fysiska skadan inom en till tre timmar, beroende på hur nära skadan var platsen för plåstret.

Upptäcker närvaron av P. infestans tog längre tid. Tekniken tog inte upp förändringar i VOC-utsläpp förrän tre till fyra dagar efter att forskare inokulerade tomatplantorna.

"Detta är inte markant snabbare än uppkomsten av visuella symtom på senblodsjukdom," säger Wei. "Men övervakningssystemet innebär att odlarna inte behöver förlita sig på att upptäcka små visuella symtom. Kontinuerlig övervakning skulle göra det möjligt för odlare att identifiera växtsjukdomar så snabbt som möjligt, vilket hjälper dem att begränsa spridningen av sjukdomen."

"Våra prototyper kan redan upptäcka 13 olika växt-VOC med hög noggrannhet, vilket gör det möjligt för användare att utveckla en anpassad sensoruppsättning som fokuserar på de påfrestningar och sjukdomar som en odlare tycker är mest relevanta", säger Yong Zhu, medförfattare till tidningen och Andrew A. Adams Distinguished Professor of Mechanical and Aerospace Engineering vid NC State.

"Det är också viktigt att notera att materialen är ganska låga," säger Zhu. "Om tillverkningen skulle skalas upp tror vi att den här tekniken skulle vara överkomlig. Vi försöker utveckla en praktisk lösning på ett verkligt problem, och vi vet att kostnaden är en viktig faktor.”

Forskarna arbetar för närvarande med att utveckla en nästa generations patch som kan övervaka temperatur, luftfuktighet och andra miljövariabler samt VOC. Och medan prototyperna var batteridrivna och lagrade data på plats, planerar forskarna att framtida versioner ska vara solenergidrivna och klara av trådlös dataöverföring.

Pappret, "Realtidsövervakning av växtspänningar via kemiresistiv profilering av flyktiga blad med en bärbar sensor", publiceras i tidskriften Materia. Medförfattarna till artikeln är Zheng Li, en tidigare postdoc vid NC State som nu är biträdande professor vid Shenzhen University, och Yuxuan Li, en Ph.D. student vid NC State. Uppsatsen var medförfattare av Jean Ristaino, William Neal Reynolds Distinguished Professor of Plant Pathology vid NC State; Oindrila Hossain, Rajesh Paul och Shuang Wu, som är Ph.D. studenter vid NC State; och Shanshan Yao, en tidigare postdoc vid NC State som nu är biträdande professor vid Stony Brook University.

Arbetet gjordes med stöd från NC State Chancellor's Faculty Excellence Program; Kenan Institute for Engineering Technology & Science; NC State's Game-Changing Research Incentive Program för Plant Science Initiative (GRIP4PSI); NC State Center for Human Health and the Environment Pilot Project Award från US Department of Agriculture, nummer 2019-67030-29311; USDA APHIS Farm Bill anslag nummer 3.0096; och National Science Foundation, under anslag 1728370.

(C) NCSU

Ursprunglig artikelkälla: WRAL TechWire