厚度仅0.01毫米！植物穿上皮肤式传感器

 植物可穿戴茎流传感器 浙江大学供图

最近，浙江大学（以下简称浙大）生物系统工程与食品科学学院智能生物产业装备创新（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，联合为植物发明了一款穿戴式“电子皮肤”。相关研究近日刊发于《先进科学》。

这种植物可穿戴茎流传感器，通过将柔性穿戴电子技术应用到植物体表，成功在自然生长状态下，首次持续监测草本植物体内水分的动态传输和分配过程。同时，科研人员还发现植物果实生长与光合作用不同步的现象，这不仅改变了人们长期以来对植物生长发育过程的基本认识，更为作物高产育种及栽培技术研发提供新思路。

柔性传感器实现植物生理监测

众所周知，血液是维持人体生命活动的重要物质，血液循环能够把人体所需要的各种营养物质，运输到各个组织和器官。

植物也有类似“血液”的物质，被称为茎流，是植物在蒸腾作用、渗透势等内外部压力下茎秆中产生的上升液流。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能够探究植物生长过程中水养分分配、信号传导以及植物对环境的响应机制等奥秘。

然而，现有的茎流监测方法多为大型侵入式探测器，在测量时会对植物造成物理伤害，而且仪器体积大限制了它们在草本植物上的应用。很长一段时间内，科学界没有一种方法可以在自然生长状态下长期监测植物茎流。

为了解决这一难题，浙大的IBE团队、智能传感与微纳集成团队、蔬菜种质创新与分子设计育种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。这款传感器薄如蝉翼，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。

为了避免传感器对植物生理产生影响，研究团队通过特殊设计，使得植物正常生长发育所需的阳光、氧气、水和二氧化碳能够自由通过传感器，实现了传感器与植物的长期“和平共处”，最终达到在自然生长状态下长期观察茎流的目的。

“这项工作为今后研制植物可穿戴传感器提供了新的研究范式。”汪小知向《中国科学报》介绍，未来针对特定植物表面结构和生理特性设计制备可穿戴传感器、评估传感器对植物生长和生理的影响，都可以从他们的研究中找到技术路径。

西瓜生长竟在夜晚

工欲善其事必先利其器，有了这么好的监测“传感器”，科研团队开展了一系列丰富的研究。

浙大科研人员在西瓜茎干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，研究团队首次发现西瓜果实生长与光合作用不同步的现象。

西瓜果实绝大部分是水（95%左右），然而茎流传感器测量发现：在白天只有极少部分水（5%）输入果实用于生长，绝大部分水被叶片蒸腾作用消耗掉；但是到了夜间，几乎所有的水分都输入果实，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，促使大量茎流输入到西瓜果实，从而实现了果实的重量增加与体积膨大。”胡仲远表示，这一发现也间接证明西瓜果实生长主要在夜间。

这一发现改写了对于植物果实生长的传统认识。教科书中一般认为，植物生物量积累主要靠光合作用，而夜间以消耗生物量的呼吸作用为主。

这个反常识性的发现不仅具有重要的科学价值，同时具有良好的应用前景。浙大科研团队表示，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。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1002/advs.202003642