利用无损传感器促进粮食安全和可持续农业发展的研究

植物病害对全世界的农业生产造成了重大经济损失。植物病害的早期检测对于促进粮食安全和可持续农业至关重要。在这方面，无损技术是实时监测植物健康状况最实用和可行的方法之一，非破坏性方法在测量中不需要样品制备和重复过程。在初期阶段预防植物病害有助于植物健康控制和优化作物产量，而无需依赖于农药的使用。农业智能传感器是智慧农业的关键核心技术之一。现代农业中，农业生产者需要实时、准确、全面地了解农田环境和农作物的生长状态，并对得到的农田信息数据做出相应分析、归纳和决策。近日，中国生物多样性保护与绿色发展基金会（简称中国绿发会，绿会）国际部从国际知名期刊获悉一篇关于利用无损传感器促进粮食安全和可持续农业的研究。现将该研究文章整理编译如下，供感兴趣的朋友参考。

新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟(SMART)的破坏性和可持续农业精度技术(DiSTAP)跨学科研究组(IRG)的研究人员、新加坡材料研究与工程研究所(IMRE)的研究人员、以及新加坡国立大学(NUS)的研究人员共同发表了一篇综述，讨论了非破坏性植物健康监测方面的最新进展，以及为什么跟踪记录植物健康状况是一项可用来优化作物生长实践的可持续战略。本研究旨在为今后植物健康无损检测技术的发展提供参考。

《植物科学前沿》(2022)。DOI: 10.3389 / fpls.2022.884454

为了满足全球粮食安全的迫切需求并为可持续农业铺平道路，农业技术的进步以及相关技术的应用对于缓解世界上严重粮食不足地区的状况至关重要。然而，在提高作物产量和生产力的同时，需要采取可持续的做法，尽量减少对环境的破坏。传统上，农民往往只能够在修复措施有限时才能注意到作物健康已发生恶化。

此外，目前通过色谱分析技术进行的检测是破坏性的，因为它需要刺穿叶体样本，导致损伤和组织破坏。同时，这些方法也很费力，因为需要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精准农业领域的发展，开发新的传感器和分析工具来帮助农民管理农场。对植物代谢产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的重要分析工具，这些传感器可以整合到未来的农业实践中，并在采用精确、预测和环境可控农业的高科技城市农场中实施。

DiSTAP 首席研究员Gajendra Pratap Singh博士说：“鉴于全球人口增长和对粮食安全的担忧，这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的，也是必要的。无损植物健康监测技术是改善作物生长方式的关键策略之一，是对轮作、间作和转基因等现有农业技术的补充。”

该团队在《植物科学前沿》上发表了《植物健康诊断的非破坏性技术》一文。文中的研究结果表明，传感器可以大致分为检测内部(体内传感器)和外部(植物表面及空气传播)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。近年来，纳米技术的发展使电化学和植物纳米仿生传感器能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，植物还在其器官表面以及通过空气中的代谢物（如挥发性的有机化合物VOC）发出信号，以进行植物间的交流。检测内部和外部线索，如植物表面和空气中的化合物，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成数字信号，在植物和种植者之间建立了直接的通信方式。非破坏性传感器能够及时调整环境条件，提高作物产量，同时最大限度地减少资源使用。”

该研究的第一作者Mervin Ang说：“该研究对传感器提供了深刻的见解，这些传感器有多种功能和用途，已经成功地从多种农业上重要的植物物种提取时空信息。该传感器将开启实时反馈控制方案的可能性，有助于精准施用化肥和植物生长调节剂，使作物最大限度地生长，同时促进及时的人为干预，以最大限度地减少植物胁迫所造成的产量损失。”

为了应对新加坡和世界粮食生产的重大挑战，多年来，DiSTAP推出了快速、非破坏性的新型分析工具，能够实时检测和提供来自活体植物的信息。这篇最新的研究综述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重要经济作物之间的知识鸿沟。

原文参看：

https://phys.org/news/2022-06-non-destructive-sensors-aid-food-sustainable.html

编译：Sara

审核：Daisy

编辑：Pierre