PlantRing：开启植物研究与智慧农业新时代的高通量可穿戴传感器系统

《Plant Communications》：PlantRing: A high-throughput wearable sensor system for decoding plant growth, water relations and innovating irrigation

为解决植物可穿戴传感器在实际农业应用中的难题，如传感灵敏度与范围的权衡、适应多种作物类型及数据解读等问题，研究人员开展了 PlantRing 系统的研究。结果显示该系统性能卓越，在多方面有应用潜力，为植物研究和农业发展带来新契机。

　　在农业生产和植物科学研究领域，精准掌握作物生长状况至关重要。然而，当前用于监测作物生长的技术存在诸多不足。传统的光学监测系统，像 RGB、多光谱和高光谱技术，空间分辨率较低，在监测植物功能生理特征方面表现欠佳；而基于蒸渗仪阵列的系统，不仅成本高昂、安装不便，还需要特定的栽培容器，限制了其广泛应用。此外，新兴的植物可穿戴传感器虽然具备实时监测的优势，但在实际应用中也面临着传感灵敏度与范围的矛盾、稳定性和耐用性不足，以及难以将监测数据转化为生物学理解和实际应用等问题。例如，植物茎直径变化（SDV）作为反映植物健康状况和用于反馈灌溉的重要参数，尽管传感器技术不断发展，但人们对其与植物功能之间的联系仍知之甚少，导致相关传感器在智能灌溉系统中的应用滞后。为了突破这些困境，中国计量大学、清华大学、河南大学等多所高校研究人员合作，研发出了 PlantRing 这一创新的纳米柔性传感系统，相关研究成果发表在《Plant Communications》上 。

研究人员在这项研究中主要运用了以下关键技术方法：一是基于碳化丝绸乔其纱（CSG）制备应变传感器，通过高温碳化处理和特殊封装工艺，使其具备优异的传感性能；二是构建了包含传感器单元、防水无线通信单元和云基软件终端的 PlantRing 系统，实现数据的实时采集、传输与分析；三是利用该系统对多种植物进行监测实验，包括番茄、西瓜、大豆和菜豆等，获取植物生长和水分关系相关数据 。

研究结果如下：

• PlantRing 系统的设计与制备：PlantRing 系统由传感器单元、防水无线通信单元和云基软件终端组成。传感器单元采用碳化丝绸乔其纱作为应变传感材料，具有可定制长度、重量轻等特点，能根据植物器官大小选择合适型号。数据记录器集成多种功能，可与网关通信，将数据传输至云服务器，便于远程监控和管理 。
• PlantRing 系统的性能表征：该系统检测限低（不同型号传感器检测限为 0.03 - 0.17% 应变）、重复性好（变异系数 < 0.68%）、精度高（相对误差在 ±0.65% 范围内）。在测量植物器官周长时，与传统测量方法高度一致，能准确反映果实生长和茎直径的昼夜变化。同时，该系统受外界干扰小，在风雨环境下仍能正常工作，通过二次多项式回归模型有效补偿温度影响 。
• PlantRing 在植物研究和农业中的多功能应用：
  • 揭示果实开裂的新机制：通过监测不同番茄和西瓜品种茎干不同部位的周长变化，发现易裂品种和不易裂品种在水分流动模式上存在差异。易裂品种会从主茎 “抽取” 更多水分到果实，导致果实开裂，并且建立了基于 ΔSC 的果实开裂指数（Rcrack?），可作为果实开裂的早期预测指标 。
  • 量化气孔对土壤干旱的敏感性并揭示生物钟基因的新功能：PlantRing 可替代蒸渗仪阵列，测量气孔对土壤干旱的敏感性。通过监测不同菜豆品种在土壤干旱过程中的茎周长变化，能区分出敏感和不敏感种质。此外，研究发现大豆GmLNK2基因在气孔调节中具有新功能，突变体的茎直径日波动明显减弱，蒸腾速率和气孔导度降低 。
  • 基于 PlantRing 的植物反馈灌溉：开发了基于 PlantRing 的自动反馈灌溉系统，在番茄种植实验中，与传统灌溉方式相比，该方式可节水约 1/2 - 1/3，且果实品质得到提升，可溶性固形物含量增加 。

研究结论与讨论部分指出，PlantRing 系统具有显著优势。它突破了传统传感器的局限，能在实际农业条件下进行高通量、长期监测，适用于多种植物，有望在林业领域引发技术变革。该系统还能帮助研究人员深入了解植物生长和生理特征的基因型差异，为作物育种和精准农业提供有力支持。例如，利用 PlantRing 系统获取的群体水平的气孔关闭临界点（θcri?）和速率（k）数据，有助于进行复杂气孔行为性状的正向遗传定位，从而识别相关基因或数量性状位点（QTLs）。在反馈灌溉方面，PlantRing 实现了从经验或环境参数驱动到直接由植物信息驱动的范式转变，能更精准地确定灌溉时机，减少水资源浪费，提高果实品质。虽然 PlantRing 系统目前存在一些局限性，如在测量快速生长器官时难以区分不可逆生长效应和可逆水力效应，检测限和信号线性范围受数据记录器电阻测量模块限制等，但随着技术的进一步发展，这些问题有望得到解决。未来，结合深度学习技术和其他可穿戴传感器，PlantRing 系统的功能将得到进一步拓展，为植物科学研究和农业生产带来更多突破，推动智慧农业的发展迈向新高度 。