智慧農(nóng)業(yè)研究進(jìn)展：應(yīng)用納米生物技術(shù)獲取作物信息*

李家其 ，吳 晗 ，陶云鵬 ，徐雯潁 ，戚 杰 ，葉 婷 ，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，廣州 深圳 518000）

1 背景與前言

農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)離不開有效的作物栽培與相應(yīng)的管理措施。作物栽培的一個(gè)主要研究方向是作物生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)形成規(guī)律及其與環(huán)境條件的關(guān)系。在生產(chǎn)中應(yīng)用高效栽培管理、生長調(diào)控和優(yōu)化決策等方法，有利于促進(jìn)作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效及可持續(xù)發(fā)展。毋庸置疑，傳統(tǒng)的作物栽培與管理措施等為解決我國糧食安全問題做出了突出貢獻(xiàn)，但隨著信息化、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)栽培也顯現(xiàn)出一定的短板。例如投入大收益少、種植效率低、過度依賴大量的人力物力，以及資源分配不協(xié)調(diào)進(jìn)而造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。許多發(fā)達(dá)國家在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)使用機(jī)械化、智能化的作物栽培與管理方式，生產(chǎn)效率和質(zhì)量得到很大提升。

近年來，納米農(nóng)業(yè)是一個(gè)熱門研究領(lǐng)域。納米生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用方興未艾，各種納米材料以及納米級元件組成的裝置被研究開發(fā)并用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有望為傳統(tǒng)栽培向現(xiàn)代化、智能化栽培轉(zhuǎn)換注入新的動(dòng)力。高效的作物栽培與管理離不開對作物信息的獲取。納米生物技術(shù)在作物信息獲取過程中有其獨(dú)到之處，能夠使智能植物傳感器與電子設(shè)備通信并驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備，以提高植物生產(chǎn)力，優(yōu)化水、肥和農(nóng)藥分配，并實(shí)現(xiàn)高通量植物表型分析，減少因環(huán)境和病蟲害相關(guān)脅迫造成的作物產(chǎn)量損失、提高資源利用效率。本文將重點(diǎn)介紹已經(jīng)用于獲取作物信息的幾種納米生物學(xué)技術(shù)手段，并討論其在傳統(tǒng)栽培向智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型中的可能作用。

2 利用納米感應(yīng)元件監(jiān)測脅迫信號分子

2.1 作物脅迫信號分子

隨著全球氣候變暖、水土流失、耕地鹽堿化，以及病蟲害等脅迫的頻繁發(fā)生，為保證糧食的正常供給，作物高效生產(chǎn)一直是主流方向。因此，如何增強(qiáng)作物逆境抵抗能力、減少脅迫造成的減產(chǎn)，一直以來是作物高效生產(chǎn)的主要研究方向之一。傳統(tǒng)栽培學(xué)注重從宏觀角度解決作物在生長繁殖過程中所遇到的各種問題，但在面對復(fù)雜的生物問題時(shí)常常缺乏一些較好的微觀層次調(diào)控的技術(shù)手段。例如，逆境脅迫下，作物會產(chǎn)生不同的脅迫信號分子，如活性氧（reactive oxygen species，ROS）、鈣離子（Ca2+）、葡萄糖、蔗糖、一氧化氮（nitric oxide，NO）和植物激素。在研究作物逆境機(jī)理時(shí)，了解甚至預(yù)測這些信號分子的變化至關(guān)重要。在作物脅迫信號分子中，ROS具有雙重作用，其在高水平累積情況下經(jīng)常造成氧化損傷，而在低水平情況下則常在植物脅迫反應(yīng)中發(fā)揮信號作用[1-2]。所有的信號分子中，Ca2+和ROS信號是較常見的植物脅迫信號分子[3-4]。而葡萄糖和蔗糖等糖分子也是重要的植物信號分子，可廣泛調(diào)節(jié)植物的生理和發(fā)育變化[5-7]。此外，植物在面臨不同類型脅迫時(shí)，脫落酸（ABA）、NO、水楊酸甲酯和乙烯等也起到信號分子作用。例如，ABA是干旱脅迫的早期信號[8-9]，而水楊酸甲酯和乙烯則主要參與植物病原防御反應(yīng)[10-12]。植物激素茉莉酸協(xié)調(diào)生物和非生物脅迫反應(yīng)，包括耐鹽性、抗凍性以及干旱和創(chuàng)傷反應(yīng)[13]。除上述這些較常見的脅迫信號分子之外，揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）如異戊二烯等與植物應(yīng)對強(qiáng)光、高溫和水分脅迫有關(guān)[14]。開發(fā)和應(yīng)用基于納米技術(shù)的傳感工具，實(shí)時(shí)監(jiān)測植物中的這些關(guān)鍵脅迫信號分子，不僅有利于提高我們對植物脅迫信號傳遞機(jī)理的理解，而且有利于促進(jìn)實(shí)現(xiàn)作物脅迫早期診斷。

2.2 檢測信號分子的納米傳感器

在納米生物技術(shù)出現(xiàn)之前，定量或者定性檢測ROS、鈣離子、葡萄糖、蔗糖、NO、VOC和植物激素等脅迫信號分子，需要經(jīng)歷如取樣后測定或染色等一系列的復(fù)雜操作。而且通常這種檢測以破壞性取樣方式居多。因此，一方面這種離體檢測的方法會破壞植物組織甚至細(xì)胞結(jié)構(gòu)，從而影響結(jié)果的準(zhǔn)確性；另一方面使用傳統(tǒng)方法時(shí)常常難以對同一個(gè)部位的一種或多種脅迫信號分子進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)的檢測，且大量送測樣品導(dǎo)致成本高昂。納米生物技術(shù)則給出了在不傷害作物的前提下，實(shí)時(shí)甚至遠(yuǎn)程監(jiān)測作物體內(nèi)脅迫信號分子變化規(guī)律的新方案。表1列舉了一些目前用于檢測作物脅迫信號分子的感應(yīng)元件。

表1 作物脅迫信號分子及相應(yīng)的納米感應(yīng)元件[4]

納米材料具有獨(dú)特的光學(xué)和電子特性，其具有不易發(fā)生光漂白，在活體組織中具有熒光，并允許以高時(shí)空分辨率檢測分析物的特性。在諸多納米材料中，基于SWCNT的傳感器用途廣泛，可用于傳感各種類別的分子。例如，一種使用DAP-dex葡聚糖修飾的單層碳納米管通過胺中給予的孤對電子，可以在近紅外（nIR）中實(shí)現(xiàn)對NO的快速和選擇性熒光檢測。在檢測時(shí)，當(dāng)NO附著在碳納米管上，光誘導(dǎo)激發(fā)態(tài)電子從納米管價(jià)帶轉(zhuǎn)移到吸附分子（NO）的LUMO能帶，引起熒光猝滅，進(jìn)而通過實(shí)時(shí)熒光變化檢測NO[15]。多酚是作物遭受病害脅迫時(shí)的重要信號分子。最近有研究人員使用單鏈核苷酸和聚乙二醇對半導(dǎo)體手性單層碳納米管進(jìn)行非共價(jià)表面修飾，進(jìn)而開發(fā)出一種植物多酚傳感器（PEG-PLSWCNTs）[16]。該傳感器具有超高的時(shí)空分辨率，能夠用于進(jìn)行多酚的高通量篩選（圖1）。研究人員在大豆幼苗的體外實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了該納米傳感器在活體植物中的良好生物兼容性。另一種基于碳納米管的光學(xué)傳感器如AT15-SWCNT等，能夠?qū)χ匾哪婢承盘柗肿舆^氧化氫（H2O2）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，其在近紅外波段組織透明具有很高的信噪比[17]。在785nm激光（250mW）激發(fā)下，根據(jù)植物體內(nèi)H2O2的水平來發(fā)生熒光猝滅和恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)對體內(nèi)H2O2水平和變化規(guī)律的監(jiān)測。Son等開發(fā)了單層碳納米管（SWCNT）和納米線的場效應(yīng)晶體管（FET）型生物傳感器（NTS），在使用Fluo-4-AM熒光探針對其進(jìn)行功能化后，NTS能夠以實(shí)時(shí)電流和熒光變化的形式檢測HeLa細(xì)胞內(nèi)鈣離子（Ca2+）濃度的變化（100nM-1 mM）[18]。此外，量子點(diǎn)（quantum dots，QD）也是一種廣泛應(yīng)用于光學(xué)傳感應(yīng)用的納米顆粒，具有從可見光到近紅外的明亮可調(diào)發(fā)射范圍。Wu等研究開發(fā)的一種量子點(diǎn)光學(xué)探針能夠高選擇性地檢測幾百微摩爾水平的葡萄糖[19]。如前所述，水楊酸甲酯（MS）是作物病原反應(yīng)中的信號分子之一，有研究人員開發(fā)了一種新的體系（分子-助劑-金屬納米顆粒），并基于表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）實(shí)現(xiàn)試劑輔助的水楊酸甲酯檢測[20]。該系統(tǒng)由MS分子、4，4′（六氟異丙基）雙（苯甲酸）以及銀納米顆粒（AgNPs）構(gòu)成。

圖1 用近紅外熒光多酚傳感器檢測和成像植物病原菌反應(yīng)

3 利用納米材料遞送的遺傳編碼傳感器

近年來，由于土壤情況不斷變化，如土壤板結(jié)、酸化、鹽漬化等，加之一些極端的天氣，以及不斷增加的人口對糧食的需求增加，為糧食生產(chǎn)和安全帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[21-23]。遺傳編碼傳感器是一個(gè)強(qiáng)有力的工具，它能監(jiān)測植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的存在和活性、分子濃度以及離子動(dòng)力學(xué)，可以有利于基礎(chǔ)研究，從而有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)。

目前大多數(shù)生物傳感器能夠?qū)χ参镄盘柗肿舆M(jìn)行亞細(xì)胞監(jiān)測和分析，為設(shè)計(jì)和改造智能植物傳感器提供關(guān)鍵知識。例如，研究人員使用遺傳編碼傳感器[24]研究了食草動(dòng)物攻擊下全植物中鈣水平的實(shí)時(shí)成像。類似構(gòu)建的技術(shù)平臺可適用于表型鑒定設(shè)施[25]中的熒光成像或使用改進(jìn)的便攜式現(xiàn)場設(shè)備。遺傳編碼傳感器目前在植物葉和根的信號分子檢測應(yīng)用中有較好的進(jìn)展[26-32]。目前，在轉(zhuǎn)基因植物模型系統(tǒng)中，如擬南芥[27-29]和水稻作物對非生物和生物脅迫的反應(yīng)中[26]，基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）的傳感器能夠以高時(shí)間分辨率（10s）和生理濃度范圍內(nèi)報(bào)告葉片和根系中的糖，包括葡萄糖和蔗糖。而且遺傳編碼傳感器能以非常高的時(shí)間分辨率（1.5s）對鈣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行成像[24，30-31，33]，并能夠檢測根中微摩爾水平的葡萄糖[28]。遺傳編碼傳感器可在亞細(xì)胞水平上檢測葉綠體和細(xì)胞核中的H2O2[32]，并在激發(fā)子誘導(dǎo)的氧化爆發(fā)期間以15s的時(shí)間分辨率檢測生理pH范圍內(nèi)的H2O2[34]?？偟膩碚f，遺傳編碼傳感器可在植物生理范圍和時(shí)間分辨率尺度上擁有良好的靈敏度，能夠檢測各種植物信號分子，從而獲取作物信息。植物細(xì)胞中信號分子或代謝物的濃度變化是動(dòng)態(tài)的，但遺傳編碼傳感器具有秒級的時(shí)間分辨率，因此可以實(shí)時(shí)報(bào)告此時(shí)間尺度上的化學(xué)信號。

植物中遺傳編碼傳感器的穩(wěn)定或瞬時(shí)表達(dá)目前仍局限于一些可進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化的物種，仍需借助基因槍轟擊和根癌農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化方法。而近幾年興起的以碳納米管為代表的DNA遞送系統(tǒng)則打破了這一局限，可望遞送遺傳編碼感應(yīng)器到非模式作物中，從而有利于實(shí)時(shí)獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作物信息。納米材料遞送DNA等遺傳物質(zhì)到非模式作物中進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化已經(jīng)在小麥、芝麻等一些作物中有所體現(xiàn)[35-36]。單層碳納米管（SWCNT）具有通過被動(dòng)和自發(fā)轉(zhuǎn)運(yùn)過程穿透植物脂質(zhì)雙層的能力[37-38]。因此，單層碳納米管具有巨大的潛力，可以作為外源遺傳物質(zhì)如DNA等進(jìn)入植物細(xì)胞的載體。通過將遺傳物質(zhì)與SWCNT結(jié)合并通過無針注射器將其施用于葉片，可以在不使用農(nóng)桿菌或基因槍轟擊的情況下將DNA轉(zhuǎn)移到植物[35-36]。此外，也有研究表明，磁性納米顆粒能夠使棉花穩(wěn)定遺傳轉(zhuǎn)化，并成功培育出轉(zhuǎn)基因植物，這種磁性納米顆粒介導(dǎo)的核酸在植物細(xì)胞中傳遞的方法是在外部磁場的幫助下實(shí)現(xiàn)的[39]。綜上所述，納米材料平臺如碳納米管是打破物種局限，遞送遺傳編碼器到植物體內(nèi)監(jiān)測作物信息的一個(gè)有效途徑，有較好的發(fā)展?jié)摿颓熬啊?/p>

4 基于納米技術(shù)的可穿戴傳感器

可穿戴傳感器最初指的是可與衣服結(jié)合或佩戴在身上的電子裝置，迄今為止在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已得到廣泛研究，目的是持續(xù)獲取與生物體健康相關(guān)的特征信息[40]。目前可穿戴設(shè)備的概念已經(jīng)擴(kuò)展到植物，因?yàn)樗鼈兡軌蛟谖稽c(diǎn)上連續(xù)跟蹤重要的生理和病理參數(shù)。創(chuàng)建基于納米技術(shù)的可穿戴平臺，可為植物提供微創(chuàng)傳感器，這類可應(yīng)用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的納米傳感器具有較長使用周期，單位時(shí)間內(nèi)成本更低，未來有廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景。基于置于植物表面的柔性可穿戴納米電子電路的傳感器網(wǎng)絡(luò)正在實(shí)現(xiàn)低濃度揮發(fā)性分子的實(shí)時(shí)無線通信[41]。例如，Lee等人開發(fā)了使用SWCNT s-石墨的全碳膜電子學(xué)（即場效應(yīng)晶體管（FET）傳感器），該傳感器可與活體植物集成，石墨電極的高靈敏度可以檢測空氣中化學(xué)元素的痕量水平，可穿戴SWCNT-石墨傳感器可通過射頻（RF）進(jìn)行操作，以便使用電子設(shè)備進(jìn)行無線監(jiān)測，而無需對低至5ppm的氣體分子濃度進(jìn)行功耗響應(yīng)[42]?；诳纱┐骷{米技術(shù)的傳感器的彈性特性就像一張“柔性皮膚”，可以彎曲到曲率半徑小至約100μm的生物體上[43]。基于單層碳納米管并載有銅復(fù)合物的傳感器，可以長期監(jiān)測亞ppm濃度的乙烯。而乙烯是一種植物激素，是水果開始成熟的關(guān)鍵指標(biāo)[44]?；谔技{米管的植物揮發(fā)性有機(jī)化合物（例如乙烯）傳感裝置目前已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有商業(yè)化應(yīng)用。雖然已經(jīng)報(bào)道了基于石墨烯和碳納米管的高度可拉伸的可穿戴傳感器，以無線的方式監(jiān)測氣體和水相分子的波動(dòng)范圍，包括來自哺乳動(dòng)物表皮細(xì)胞的葡萄糖濃度[45-46]等，但迄今為止可穿戴的納米傳感器在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)如栽培與管理措施方面的應(yīng)用還有待研究。未來基于納米技術(shù)的可穿戴傳感器還需要高靈敏度并在可變環(huán)境條件下提高信噪比。例如，為了監(jiān)測與植物健康狀況相關(guān)的植物揮發(fā)有機(jī)物，可穿戴傳感器應(yīng)該能夠監(jiān)測非常低的濃度范圍，或明確允許檢測的濃度機(jī)制。對此，Oren等人提出了一種靈活的微型植物紋身傳感器，該傳感器將石墨烯基納米材料制成圖案并轉(zhuǎn)移到各種類型的膠帶上[47]。該傳感器根據(jù)不同濕度環(huán)境下石墨烯電阻的變化，通過測量從根到葉的水分傳輸時(shí)間和植物的蒸騰水平來估算導(dǎo)水率。植物的導(dǎo)水率和蒸騰水平可以作為環(huán)境溫度和植物干旱脅迫的指標(biāo)。作為監(jiān)測氣孔附近含水量的替代方法，Koman及其同事針對氣孔行為監(jiān)測植物對各種非生物脅迫的反應(yīng)[48]。他們開發(fā)了一種氣孔機(jī)電孔徑傳感器，通過碳納米管監(jiān)測氣孔上人造電路的電阻變化，實(shí)時(shí)跟蹤單個(gè)氣孔的打開和關(guān)閉。通過監(jiān)測氣孔的開閉，可以檢測到土壤水勢、入射光強(qiáng)度和晝夜循環(huán)等環(huán)境條件，分別對應(yīng)于較高和較低的水阻力。事實(shí)上，在作物栽培等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，一種基于3D打印的PlantCopter也被用于大田小氣候監(jiān)測應(yīng)用。這種亞細(xì)胞級傳感器的設(shè)計(jì)原理及工作方法也源于納米仿生學(xué)與可穿戴的納米傳感器[49]。

5 結(jié)束語

要滿足本世紀(jì)中葉全球糧食需求的迅速增長，需要植物科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)與不同學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行跨學(xué)科融合。農(nóng)業(yè)的升級換代離不開信息化與現(xiàn)代化。而信息化與現(xiàn)代化的智慧農(nóng)業(yè)則離不開對作物信息的獲取。本文論述了目前納米生物技術(shù)在作物信息獲取方面的可能途徑以及相關(guān)的一些研究進(jìn)展，有利于從更多的維度理解智慧農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵。當(dāng)前，納米生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用方面還面臨著諸多挑戰(zhàn)（如復(fù)合脅迫下的信號分子變化規(guī)律的實(shí)時(shí)監(jiān)測），還需將納米傳感器、作物信息技術(shù)、植物脅迫、物聯(lián)網(wǎng)與智能農(nóng)業(yè)設(shè)備緊密聯(lián)系起來，為促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展提供助力。