Plant Com | 植物手环！中国计量大学徐沛团队研发新型高通量穿戴式传感器系统

精准、动态且持续地监测作物生长和生理状况，对通过智慧调控手段提升其产量与品质至关重要。随着植物表型组学和柔性电子学的交叉融合，近年来涌现了多种基于不同原理的可穿戴式植物传感器。然而，当前此类产品基本处于实验室阶段，在农业领域的应用面临多重挑战：一是现有传感器常难以兼具高灵敏度和宽检测范围；二是其在风雨、日晒、温度波动等自然条件下的稳定性不足，无法长期稳定工作能力；三是因通用性受限或成本高、操作复杂，难以支持大规模田间应用；最后，也是尤为重要的一点，现有传感器系统的设计往往追求于检测精度，而缺乏将测量数据转化为有意义的植物生理、生长发育及环境响应信息的能力，在揭示复杂性状的生物学机制及指导农业生产实践中的作用有限。

近日，中国计量大学生命科学学院徐沛教授课题组在Plant Communications杂志发表了题为PlantRing: A high-throughput wearable sensor system for decoding plant growth, water relations and innovating irrigation的研究论文，为应对上述挑战提供了方案。团队与清华大学等单位合作，研发了高通量、低成本植物穿戴式传感器系统—PlantRing（植物手环），将植物茎、果实等器官直径动态微变化与植物生理功能（水分分配、昼夜节律、气孔行为等）深度关联，并引导反馈灌溉，实现了从基于环境信息向基于植物本体信息的范式转变。

Plantring系统由传感单元、防水无线通信单元和云服务器终端组成（图1）。传感器环绕监测的植物器官，并将植物器官直径微变化产生的应力变化转变为电信号。柔性传感器的长度可根据所需监测的植物器官定制。防水无线通信单元将传感数据被传输到云服务器上，用于远程监控、管理和存储，可通过电脑和智能手机访问。PlantRing传感单元基于应力超敏感的蚕丝基纳米材料开发，结合便携式电学检测装置实现植物茎、果实等器官直径变化的实时监测，不仅可以高精度地分辨 < 10微米级的变化，还可实现三个月以上的长时间续航。本论文通过一系列实例展示了Plantring系统的强大功能。

图1 PlantRing传感器的制备、使用方法演和信号产生原理

基于茎直径的植物生理状态监测。监测茎直径微变可体现植物茎秆白天因蒸腾失水收缩、夜晚因根系吸水膨胀或反映其他胁迫导致的生长不良。图2A体现了渐进式干旱处理下通过PlantRing监测番茄每日茎直径变化（△SC）的结果。通过曲线下降阶段的拐点（θcri）和斜率（k），定量地定义了气孔对水分亏缺的基因型特异性响应，该方法可应用于筛选对土壤干旱敏感/不敏感的品种以及GWAS分析等。在同一植株的不同部位将多个PlantRing联用，还可进一步观察水分在植株体内的分配关系。PlantRing的检测结果显示，番茄和西瓜易裂果/耐裂果基因型在主蔓-果枝间水分分配关系模式上存在相反的特征（图2B），过多的茎杆贮藏水向果枝中的分配与易裂果性状有关。该研究定义了新的裂果潜力指数，并建立了其量化方法，可用于裂果性状量化表征及耐裂果种质早期筛选。

研究基因功能。本文还通过PlantRing柔性可穿戴传感器监测大豆的昼夜茎直径变化，结合蒸腾速率的测量力图可视化大豆茎秆昼夜节律变化的模式，证实了生物钟基因GmLNK2基因突变体全天蒸腾速率和气孔导度水平较野生型大豆显著降低（图3A）。该实例展示了Plantring 系统通过昼夜节律监测来研究生物钟基因功能的潜力，并揭示了GmLNK2基因在气孔调节中的新功能。

用于亏缺灌溉，同步实现节水和提质。由于 PlantRing 能够通过茎直径变化实时监测植物水分状况，该研究开发了一种自动反馈灌溉系统。在针对番茄植株的生产性农业大棚实验中，对比基于土壤湿度传感器和PlantRing系统的两种亏缺灌溉，以及充分灌溉的种植效果（图3B）。由于PlantRing通过直接测量植物自身身生长状态，其效果优于通过土壤湿度间接监测的反馈方式，在减少灌溉用水的同时提升了番茄甜度，实现节水+提质。

图3. 基于PlantRing的基因功能研究（A）和自动反馈灌溉方案（B，充分灌溉WI、基于土壤VWC的亏缺灌溉 DIv 和基于 PlantRing 的亏缺灌溉 DIp）

除上述应用外，PlantRing在植物营养诊断、胁迫响应、林木生长监测等其他方面也有巨大的应用潜力（图4）。PlantRing作为精密科学仪器和智慧农业实用工具的双重功能已在真实生产环境下得到验证，并实现商业化制造，突破了植物穿戴式传感器大规模应用的瓶颈。

图4 PlantRing的拓展应用和产品展示

中国计量大学生命科学学院原讲师孙挺和副教授吕晨泽并列为该论文第一作者，徐沛研究员为论文通讯作者。清华大学化学系张莹莹教授，原博士后毕鹏、博士生邹梅，河南大学徐小冬和谢启光教授，淮安市农科院程瑞、许文钊以及青岛农业大学王华森教授等为本研究做出重要贡献。浙江农林大学崔霞研究员提供了部分植物材料。该研究获得了浙江省农业新品种选育重大专项的资助。

徐沛团队长期从事园艺作物表型组学和豆类蔬菜遗传改良研究，在农、工、信学科交叉融合方面形成了显著特色，有关研究成果已在The Plant Cell、Plant Journal、Plant Communications、Horticulture Research、Methods in Molecular Biology等发表。有关PlantRing相关产品细节，可联系吕晨泽副教授（chenzelu@cjlu.edu.cn）。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590346225000847