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 計算機信息技術(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)廣東省實驗室深圳分中心，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，但隨著信息化、自動化技術(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)進而造成資源浪費和環(huán)境污染。許多發(fā)達國家在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)使用機械化、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。在研究作物逆境機理時，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，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)性有機化合物（VOC）如異戊二烯等與植物應(yīng)對強光、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，實時監(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理的理解，而且有利于促進實現(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胞結(jié)構(gòu)，從而影響結(jié)果的準確性；另一方面使用傳統(tǒng)方法時常常難以對同一個部位的一種或多種脅迫信號分子進行連續(xù)實時的檢測，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，實時甚至遠程監(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）中實現(xiàn)對NO的快速和選擇性熒光檢測。在檢測時，當NO附著在碳納米管上，光誘導(dǎo)激發(fā)態(tài)電子從納米管價帶轉(zhuǎn)移到吸附分子（NO）的LUMO能帶，引起熒光猝滅，進而通過實時熒光變化檢測NO[15]。多酚是作物遭受病害脅迫時的重要信號分子。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行非共價表面修飾，進而開發(fā)出一種植物多酚傳感器（PEG-PLSWCNTs）[16]。該傳感器具有超高的時空分辨率，能夠用于進行多酚的高通量篩選（圖1）。研究人員在大豆幼苗的體外實驗中驗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）進行實時監(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熒光探針對其進行功能化后，NTS能夠以實時電流和熒光變化的形式檢測HeLa細胞內(nèi)鈣離子（Ca2+）濃度的變化（100nM-1 mM）[18]。此外，量子點（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），并基于表面增強拉曼散射（SERS）實現(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)和安全帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)[21-23]。遺傳編碼傳感器是一個強有力的工具，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力學(xué)，可以有利于基礎(chǔ)研究，從而有利于促進農(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行亞細胞監(jiān)測和分析，為設(shè)計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]研究了食草動物攻擊下全植物中鈣水平的實時成像。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間分辨率（10s）和生理濃度范圍內(nèi)報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間分辨率（1.5s）對鈣動力學(xué)進行成像[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胞水平上檢測葉綠體和細胞核中的H2O2[32]，并在激發(fā)子誘導(dǎo)的氧化爆發(fā)期間以15s的時間分辨率檢測生理pH范圍內(nèi)的H2O2[34]。總的來說，遺傳編碼傳感器可在植物生理范圍和時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。植物細胞中信號分子或代謝物的濃度變化是動態(tài)的，但遺傳編碼傳感器具有秒級的時間分辨率，因此可以實時報告此時間尺度上的化學(xué)信號。

植物中遺傳編碼傳感器的穩(wěn)定或瞬時表達目前仍局限于一些可進行遺傳轉(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，從而有利于實時獲取農(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）具有通過被動和自發(fā)轉(zhuǎn)運過程穿透植物脂質(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等進入植物細胞的載體。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)的核酸在植物細胞中傳遞的方法是在外部磁場的幫助下實現(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)擴展到植物，因為它們能夠在位點上連續(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，單位時間內(nèi)成本更低，未來有廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景?；谥糜谥参锉砻娴娜嵝钥纱┐骷{米電子電路的傳感器網(wǎng)絡(luò)正在實現(xiàn)低濃度揮發(fā)性分子的實時無線通信[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）進行操作，以便使用電子設(shè)備進行無線監(jiān)測，而無需對低至5ppm的氣體分子濃度進行功耗響應(yīng)[42]。基于可穿戴納米技術(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]?；趩螌犹技{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[44]?；谔技{米管的植物揮發(fā)性有機化合物（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范圍，包括來自哺乳動物表皮細胞的葡萄糖濃度[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。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，實時跟蹤單個氣孔的打開和關(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。這種亞細胞級傳感器的設(shè)計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)的一些研究進展，有利于從更多的維度理解智慧農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵。當前，納米生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際應(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)律的實時監(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，為促進智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展提供助力。