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“电子纹身”监测植物茎流 相关研究日前刊发于《先进科学》
时间:2021-03-24 10:43:34

记者3月19日从浙江大学获悉,该校生物系统工程与食品科学学院IBE团队刘湘江、应义斌,信息与电子工程学院汪小知和农业与生物技术学院胡仲远,通过将柔性穿戴电子技术应用到植物体表,成功在植物自然生长状态下,首次持续监测草本植物体内水分的动态传输和分配过程,还发现植物果实生长与光合作用不同步的现象,将为作物高产育种及栽培技术研发提供新的思路。相关研究日前刊发于《先进科学》。

植物在蒸腾作用、渗透势等内外部压力下茎秆中产生的上升液流被称为茎流,茎流也是植物水分、养分、信号分子运输的载体。因此,实现对茎流的长期实时监测可探究植物生长过程水养分分配、信号传导以及植物对环境的响应机制等奥秘。现有的茎流检测方法多用大型侵入式探测器,会对植物造成物理伤害,且因仪器体积大而应用不便。长期以来,科学界没有方法可在自然生长状态下长期监测植物茎流。

为了解决这一难题,联合团队开展了跨学科交叉研究,针对植物茎秆特殊的生理特性,利用芯片级的微纳加工工艺,制备了一种植物可穿戴式茎流传感器。记者看到,这款传感器薄如蚕翼,厚度仅0.01毫米,重0.24克,如同“纹身”一样,能贴附在植物茎秆表面进行茎流监测。

科研人员在西瓜茎秆上几个关键位点部署了茎流传感器,长期无损地观察了水分在西瓜叶片、果实、茎秆等不同器官上的动态分配情况。通过对茎流数据的分析,研究团队首次发现了西瓜果实生长与光合作用不同步的现象。

胡仲远解释,西瓜果实的组成绝大部份是水(95%左右),然而茎流传感器测量发现:在白天只有极少部分水被运输入果实用于生长(5%),绝大部分水被叶片蒸腾作用消耗掉;但是到了夜间,几乎所有的水分都被运输到果实,绝对茎流量相对日间增加了10倍。“白天积累的光合产物导致的渗透势差应该是夜晚茎流激增的主要原因。同时,夜晚没有蒸腾作用消耗水分,促使大量径流输入到西瓜果实,从而实现了果实的重量增加与体积膨大。”

科研团队表示,水是珍贵的农业资源,基于茎流对西瓜等耐旱作物体内水分运输和抗旱机理的解析,将为全球干旱地区的农业生产、节水灌溉、抗旱作物选育提供新的理论依据和技术支持。

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