智慧農(nóng)業(yè)背景下的納米智能作物構(gòu)建*

徐雯潁 ，葉 婷 ，姚 雪 ，李家其 ，吳洪洪 ，3*

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)深圳營養(yǎng)與健康研究院，湖北 武漢 430070；2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)信息技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所/嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心，廣東 深圳 518000）

1 智慧農(nóng)業(yè)的由來和發(fā)展趨勢

“民以食為天，國以農(nóng)為本”，農(nóng)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了以矮化育種為特征的第一次綠色革命，以動(dòng)植物轉(zhuǎn)基因?yàn)楹诵牡牡诙尉G色革命，隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，農(nóng)業(yè)的第三次革命——農(nóng)業(yè)智能革命已經(jīng)到來[1]。農(nóng)業(yè)智能革命的核心要素是信息、裝備和智能，其主要表現(xiàn)形態(tài)之一是智慧農(nóng)業(yè)。智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)階段。以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能裝備等技術(shù)為核心的智慧農(nóng)業(yè)將加快以信息化為基礎(chǔ)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級[2]。從另一方面來講，智慧農(nóng)業(yè)的一種實(shí)現(xiàn)方式是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)上去，運(yùn)用傳感器等智能農(nóng)業(yè)裝備對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行智能管理[3]。使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)脫離繁雜人工操作，變得更加“智慧”，其中包括智能感知、智能預(yù)警、智能決策、智能分析以及專家在線指導(dǎo)等。而在智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，很重要的一點(diǎn)就是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境以及農(nóng)作物的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)作物脅迫早期診斷。

近年來納米生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注，納米材料體積?。?～100nm）[4]，生物相容性好，有著特殊的表面效應(yīng)和光學(xué)特性，在納米農(nóng)藥、納米載體、納米植物抗逆方面已有頗多進(jìn)展[5-8]。在植物逆境脅迫監(jiān)測方面，納米傳感器正在逐漸成為推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)構(gòu)建智能作物的落腳點(diǎn)之一[9-11]。本文將從“利用納米感應(yīng)元件構(gòu)建納米智能作物并連接物聯(lián)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)作物早期診斷”這一角度來進(jìn)行闡述。

2 如何構(gòu)建納米智能作物

2.1 納米智能作物的構(gòu)建原理

非生物和生物脅迫是植物生長過程中無法避免的情況。作物脅迫早期診斷是提早干預(yù)作物逆境響應(yīng)、減少作物逆境損失的有效手段之一[12]。目前，已經(jīng)有成像、光譜和熒光等方法能夠評估植物生長狀況，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測作物受到的脅迫和養(yǎng)分虧缺[13-14]。雖然這些技術(shù)提供了植物健康狀況相關(guān)的重要信息，如葉面積、葉綠素含量和熒光、氣孔導(dǎo)度、蒸騰利用效率、水勢等，但這些指標(biāo)不適合于所有類型的脅迫或養(yǎng)分虧缺的早期檢測、缺乏識(shí)別特定植物脅迫的能力、分辨率不高，導(dǎo)致對單個(gè)植物的監(jiān)測成本較高或效果不佳等問題[15]。例如，使用拉曼光譜和紅外光譜測定葉綠素含量的下降和葉面積的變化來顯示植物受脅迫的程度時(shí)，由二者為脅迫誘導(dǎo)下的累積性狀，脅迫進(jìn)程發(fā)生時(shí)間較長，并且測定需要復(fù)雜設(shè)備，以及信噪比較低、植物內(nèi)部或內(nèi)部組分的不均一性等因素都會(huì)影響光譜特征[16]。此外，陽光、陰影以及干擾性天氣條件造成的過度曝光等也會(huì)影響檢測結(jié)果。因此生產(chǎn)上需要開發(fā)新的傳感方法和技術(shù)，以改進(jìn)信噪提高檢測結(jié)果的可靠性，并最終實(shí)現(xiàn)對單個(gè)植物的連續(xù)監(jiān)測。

如何通過分析植物在脅迫發(fā)生早期產(chǎn)生的相應(yīng)信號分子中的信號規(guī)律，幫助植物通過感知脅迫而調(diào)控農(nóng)業(yè)設(shè)備（如灌溉、噴藥、遮陰、控溫等）來改善自身的微環(huán)境，從而緩解脅迫狀況并提高植物產(chǎn)量，是智慧農(nóng)業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向。美國加州大學(xué)河濱分校Juan Pablo Giraldo教授和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)吳洪洪教授等率先從植物納米生物學(xué)的角度提供了一種可以實(shí)時(shí)感知、報(bào)告脅迫發(fā)生并調(diào)控農(nóng)業(yè)設(shè)備緩解脅迫狀態(tài)的智能植物的實(shí)現(xiàn)方案：通過應(yīng)用可以特異性識(shí)別植物脅迫信號分子的納米感應(yīng)器來改造植物，使得改造后的植物能夠把脅迫下的信號分子規(guī)律轉(zhuǎn)換為光信號、無線電波、電信號等容易被農(nóng)業(yè)設(shè)備識(shí)別的信號，從而實(shí)現(xiàn)植物與農(nóng)業(yè)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)，有助于植物對自身微環(huán)境的實(shí)時(shí)感知和管理[15]。

通過應(yīng)用納米感應(yīng)器可以構(gòu)建智能植物，從而設(shè)計(jì)出具體的信號傳遞與轉(zhuǎn)換體系（圖1）。利用能特異性識(shí)別脅迫信號分子的納米感應(yīng)元件改造作物，在作物受到外界脅迫或刺激時(shí)，智能作物體內(nèi)產(chǎn)生的化學(xué)信號分子變化規(guī)律可通過納米感應(yīng)元件轉(zhuǎn)變?yōu)槟鼙恢悄苻r(nóng)機(jī)設(shè)備捕獲的電信號或者光信號，并進(jìn)一步對信號進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)了作物與農(nóng)機(jī)設(shè)備的交互，有利于實(shí)時(shí)調(diào)整作物自身微環(huán)境，減少作物逆境損失。尤其是，可開發(fā)植物組織或細(xì)胞器靶向的納米感應(yīng)元件來實(shí)現(xiàn)對不同組織或細(xì)胞器受脅迫情況的監(jiān)測。

圖1 利用納米感應(yīng)元件構(gòu)建智能作物，以實(shí)現(xiàn)植物對自身狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理

2.2 納米智能作物構(gòu)建的研究進(jìn)展

關(guān)于應(yīng)用納米感應(yīng)元件構(gòu)建納米智能作物這一方面，前人已經(jīng)有了一些進(jìn)展。下面以監(jiān)測葡萄糖水平和H2O2水平為例進(jìn)行簡要介紹。Li[9]等研究開發(fā)出一種可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測植物體內(nèi)葡萄糖濃度變化的量子點(diǎn)（quantum dots，QD），并應(yīng)用 Raspberry Pi攝像系統(tǒng)驗(yàn)證了量子點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測植物體內(nèi)葡萄糖變化在實(shí)踐操作上的可行性。通過合成兩種有著不同發(fā)射峰的量子點(diǎn)，一種是不與葡萄糖發(fā)生團(tuán)聚效應(yīng)的疏基乙酸（thioglycolic acid，TGA）修飾的TGA-QD；另一種則是苯硼酸（boronic acid，BA）修飾的量子點(diǎn)BA-QD，其可以特異性識(shí)別葡萄糖（經(jīng)體外實(shí)驗(yàn)檢測其對植物體內(nèi)常見單糖及多糖的響應(yīng)以確定其特異性識(shí)別葡萄糖的能力）而發(fā)生團(tuán)聚效應(yīng)并導(dǎo)致熒光淬滅。將TGA-QD及BA-QD混合導(dǎo)入到葉片中后，使用TGA-QD做內(nèi)參，通過使用Raspberry Pi攝像系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測TGA-QD和BA-QD的熒光淬滅程度從而實(shí)現(xiàn)間接實(shí)時(shí)探測植物體內(nèi)葡萄糖變化這一目的。應(yīng)用該基于量子點(diǎn)熒光探針的植物納米生物學(xué)方法，植物體內(nèi)葡萄糖變化的實(shí)時(shí)檢測可以擴(kuò)大到不易于進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化的非模式植物，而不再僅僅局限于模式植物。

活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）是植物體內(nèi)重要的信號分子，且逆境下植物體內(nèi)ROS累積量是反映植物受脅迫程度的重要指標(biāo)[17-18]。而目前，對非模式植物體內(nèi)H2O2水平無損實(shí)時(shí)的長程監(jiān)測仍進(jìn)展緩慢。現(xiàn)有的遺傳編碼感應(yīng)元件如Hyper sensor主要局限于模式植物，而熒光染料探針則具有易發(fā)生熒光淬滅及信噪比不高等不足之處。碳納米管具有不易熒光淬滅、熒光發(fā)射峰在近紅外區(qū)域以及不受知無色素自發(fā)熒光干擾等優(yōu)點(diǎn)，可以被開發(fā)成響應(yīng)H2O2的納米感應(yīng)元件。然而，早期開發(fā)的碳納米管H2O2感應(yīng)元件對H2O2的敏感度不高（100μm），無法對脅迫下植物體內(nèi)ROS爆發(fā)事件和時(shí)間點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測，靈敏度不夠。前人研究開發(fā)出一種對H2O2敏感的氯化血紅素（Aptamer DNA）來修飾單層碳納米管感應(yīng)元件（HeAptDNA-SWCNT）。這種新型HeAptDNA-SWCNT感應(yīng)元件能夠?qū)崿F(xiàn)對植物體內(nèi)10μm H2O2的實(shí)時(shí)檢測，通過感應(yīng)元件熒光的強(qiáng)弱變化實(shí)時(shí)反映植物體內(nèi)H2O2含量的升高和下降，并且不會(huì)造成葉片的機(jī)械損傷[10]。該新型碳納米管被驗(yàn)證可以對紫外光、強(qiáng)光以及Flg22冰蓋在內(nèi)的脅迫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和早期診斷，為構(gòu)建納米智能作物奠定了基礎(chǔ)。

3 納米智能作物如何服務(wù)智慧農(nóng)業(yè)

3.1 納米智能作物所捕獲信息的聯(lián)網(wǎng)

通過納米智能作物與智能設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，構(gòu)建納米智能作物監(jiān)測體系，可以減少人力成本和管理成本，降低農(nóng)業(yè)損失。同時(shí)該技術(shù)還具有實(shí)時(shí)、無損監(jiān)測特定分析含量的功能，有助于完整掌握特定生理過程的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。與代謝組學(xué)技術(shù)相比，納米傳感器可以捕捉到易降解、低含量的生理代謝物。植物外部表型變化是內(nèi)在生理變化積累的結(jié)果。相比觀測外部表型變化，直接監(jiān)測植物體內(nèi)一些關(guān)鍵因素如信號分子的變化可以更快地、更及時(shí)地評估植株健康狀況，有利于及早進(jìn)行農(nóng)場智能決策、幫助作物應(yīng)對不良生長環(huán)境，從而提高作物產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本[19]。

應(yīng)用納米感應(yīng)元件構(gòu)建納米智能作物后，在農(nóng)場管理和智能決策層面尚需物聯(lián)網(wǎng)的參與[20]。目前公認(rèn)的物聯(lián)網(wǎng)定義是通過智能傳感器、射頻識(shí)別（RFID）、激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感等信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)和其他基于物－物通信模式（M2M）的短距無線自組織網(wǎng)絡(luò)[21]，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種巨大智能網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)由三個(gè)架構(gòu)組成，第一層是感知層，第二層是傳輸層，第三層是應(yīng)用層。感知層主要解決數(shù)據(jù)的傳遞問題，通過傳感器將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。傳輸層主要解決數(shù)據(jù)的傳遞問題，通過有限或者無限的各種協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。應(yīng)用層解決數(shù)據(jù)的使用問題，通過各種相關(guān)信息技術(shù)開展數(shù)據(jù)的處理和分析，最終面向用戶提供決策服務(wù)。

納米技術(shù)與人工智能的結(jié)合將會(huì)大大推動(dòng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人工智能可以通過整合大量的數(shù)據(jù)信息[22]，例如土壤條件、植物種類、氣候變化等，并結(jié)合納米材料的理化特性，預(yù)測納米材料對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響及其在改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、減少資源浪費(fèi)和農(nóng)用化學(xué)品污染等方面的表現(xiàn)[1]。基于此開發(fā)計(jì)算機(jī)模型，優(yōu)化輸送效率，同時(shí)最大限度地減少污染，確保納米材料在土壤中的高度安全性和可食用植物中的最低殘留。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，傳感器-控制器-執(zhí)行器是最小的物聯(lián)網(wǎng)單元，多個(gè)傳感器、控制器、執(zhí)行器組合在一起，形成人與物，物與物相連，實(shí)現(xiàn)信息化和遠(yuǎn)程管理控制，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。植物納米生物傳感器負(fù)責(zé)對化學(xué)信號的監(jiān)測，通過成像相機(jī)、智能手機(jī)、無人機(jī)或者氣象站等能夠解碼信號的機(jī)器在作物中定時(shí)拍攝相片來捕獲信息（圖2）。傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)信號傳輸給控制器，控制器根據(jù)設(shè)置好的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域模型將獲取的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成控制量，控制量再傳遞給執(zhí)行器，最終得以執(zhí)行。執(zhí)行器將執(zhí)行狀態(tài)反饋給控制器，控制器將統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)記錄在云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫里，方便原始數(shù)據(jù)的調(diào)取[23]。數(shù)據(jù)庫利用信息指令運(yùn)行至執(zhí)行端，優(yōu)化控制邏輯，使運(yùn)行策略更加智能[24]。

圖2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

3.2 納米智能作物與物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)在進(jìn)行實(shí)時(shí)決策時(shí)，傳感設(shè)備會(huì)產(chǎn)生海量的原始數(shù)據(jù)，以至于難以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地處理分析。直線型分析數(shù)據(jù)的速度跟不上數(shù)據(jù)的指數(shù)型增長。Alan N Fish博士在《決策知識(shí)自動(dòng)化》中利用決策需求（DRA）法，來定義將要自動(dòng)化的決策流程的范圍和結(jié)構(gòu)。有研究人員通過類似的方法將Microsoft Azure機(jī)器學(xué)習(xí)以及SMARTS智能決策平臺(tái)下的Sparking Logic明策智能決策引擎的結(jié)合應(yīng)用，從而能夠讓機(jī)器智能化地處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行自動(dòng)化決策。解決方案中運(yùn)用到了Microsoft Azure機(jī)器學(xué)習(xí)，Azure Data Lake（或者其他的數(shù)據(jù)倉庫）以及Sparkling Logic的明策智能決策引擎。他們將預(yù)測性維護(hù)、決策管理、數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)以及云領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。納米生物傳感器可以與之相結(jié)合。首先運(yùn)用Azure loT套件與傳感器設(shè)備進(jìn)行連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通過云端儲(chǔ)存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，例如：SQL Server。接下來用Azure機(jī)器學(xué)習(xí)算法來解析數(shù)據(jù)并獲取預(yù)見性見解。當(dāng)數(shù)據(jù)流經(jīng)過Azure Stream Analytics處理后，這些算法的運(yùn)算結(jié)果可以極大地豐富數(shù)據(jù)庫。最后將處理的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SMARTS智能決策引擎轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的決策。

3.3 納米智能作物與5G

擁有著海量連接、龐大帶寬和超低延遲等優(yōu)勢的第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（The Fifth Generation Mobile Communications System，5G）是推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化發(fā)展，促進(jìn)萬物互聯(lián)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的融合，使技術(shù)的發(fā)展有著更廣闊的空間[25]。相較于4G，5G憑借靈活組網(wǎng)的優(yōu)勢，在現(xiàn)實(shí)的納米智能作物構(gòu)建場景中，面對延遲、帶寬、安全性、可靠性等方面的問題，可以在服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）、DNN、網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣云服務(wù)（Multi-access Edge Plane，MEP）、邊緣計(jì)算等特定服務(wù)內(nèi)容方面提供便利，從而進(jìn)一步促進(jìn)納米傳感器的數(shù)據(jù)傳輸速度，并保障信號傳遞的穩(wěn)定性[26]?；诩{米生物技術(shù)的傳感器是創(chuàng)造納米智能作物的一個(gè)有潛力的工具，這些傳感器可將植物健康狀況通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳達(dá)給氣象站、智能手機(jī)或智能終端等農(nóng)業(yè)設(shè)備，從而提高資源利用效率，并減少脅迫造成的損失[26]。

4 結(jié)論

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需要應(yīng)對人口持續(xù)增長、氣候變化、資源短缺和土壤退化等問題。然而，目前被廣泛使用的一些農(nóng)業(yè)措施，已逐漸不能滿足于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。納米生物技術(shù)可能是農(nóng)業(yè)技術(shù)革命的重要推動(dòng)力之一，它的出現(xiàn)和應(yīng)用為提高農(nóng)業(yè)資源（光、水、土壤）的使用效率、更好地調(diào)控生物和非生物脅迫提供了新的機(jī)會(huì)和方法，為打造高效、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)體系提供了可能的新途徑。本文概述了應(yīng)用納米感應(yīng)元件構(gòu)建納米智能作物的工作原理，介紹了應(yīng)用實(shí)例，并對其如何與智慧農(nóng)業(yè)對接做了一定的討論。與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合后，納米智能作物將有可能在智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展中扮演重要角色。可以預(yù)見的是，不斷開發(fā)新型納米材料，從而構(gòu)建尺寸更小，集成度更高，壽命更長，安全性以及穩(wěn)定性更強(qiáng)，并且可重復(fù)利用的納米傳感器是納米生物學(xué)發(fā)展的重要方向。此外，目前已開發(fā)的植物納米感應(yīng)元件更多是針對葡萄糖、活性氧、鈣離子、一氧化氮等信號分子。開發(fā)更多能識(shí)別不同單一信號分子或信號分子組合的納米感應(yīng)元件來實(shí)現(xiàn)對復(fù)合脅迫的實(shí)時(shí)監(jiān)控也是一個(gè)重要的研究方向。同時(shí)，未來也需要不斷開發(fā)與納米感應(yīng)元件及其集成相配套的設(shè)備以及相應(yīng)的軟件。