智慧農業研究進展：應用納米生物技術獲取作物信息*

李家其 ，吳 晗 ，陶云鵬 ，徐雯潁 ，戚 杰 ，葉 婷 ，吳洪洪 ，3*

（1.華中農業大學 植物科學技術學院/華中農業大學深圳營養與健康研究院，湖北 武漢 430070；2.武漢船舶職業技術學院 計算機信息技術學院，湖北 武漢 430050；3.中國農業科學院深圳農業基因組研究所/嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室深圳分中心，廣州 深圳 518000）

1 背景與前言

農業高效生產離不開有效的作物栽培與相應的管理措施。作物栽培的一個主要研究方向是作物生長發育、產量和品質形成規律及其與環境條件的關系。在生產中應用高效栽培管理、生長調控和優化決策等方法，有利于促進作物高產、優質、高效及可持續發展。毋庸置疑，傳統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、自動化技術的發展，傳統栽培也顯現出一定的短板。例如投入大收益少、種植效率低、過度依賴大量的人力物力，以及資源分配不協調進而造成資源浪費和環境污染。許多發達國家在農業生產中已經使用機械化、智能化的作物栽培與管理方式，生產效率和質量得到很大提升。

近年來，納米農業是一個熱門研究領域。納米生物技術在農業生產中的應用方興未艾，各種納米材料以及納米級元件組成的裝置被研究開發并用于農業生產，有望為傳統栽培向現代化、智能化栽培轉換注入新的動力。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備通信并驅動電子設備，以提高植物生產力，優化水、肥和農藥分配，并實現高通量植物表型分析，減少因環境和病蟲害相關脅迫造成的作物產量損失、提高資源利用效率。本文將重點介紹已經用于獲取作物信息的幾種納米生物學技術手段，并討論其在傳統栽培向智慧農業轉型中的可能作用。

2 利用納米感應元件監測脅迫信號分子

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生，為保證糧食的正常供給，作物高效生產一直是主流方向。因此，如何增強作物逆境抵抗能力、減少脅迫造成的減產，一直以來是作物高效生產的主要研究方向之一。傳統栽培學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，但在面對復雜的生物問題時常常缺乏一些較好的微觀層次調控的技術手段。例如，逆境脅迫下，作物會產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，了解甚至預測這些信號分子的變化至關重要。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常造成氧化損傷，而在低水平情況下則常在植物脅迫反應中發揮信號作用[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，可廣泛調節植物的生理和發育變化[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[10-12]。植物激素茉莉酸協調生物和非生物脅迫反應，包括耐鹽性、抗凍性以及干旱和創傷反應[13]。除上述這些較常見的脅迫信號分子之外，揮發性有機化合物（VOC）如異戊二烯等與植物應對強光、高溫和水分脅迫有關[14]。開發和應用基于納米技術的傳感工具，實時監測植物中的這些關鍵脅迫信號分子，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

在納米生物技術出現之前，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，需要經歷如取樣后測定或染色等一系列的復雜操作。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構，從而影響結果的準確性；另一方面使用傳統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實時的檢測，且大量送測樣品導致成本高昂。納米生物技術則給出了在不傷害作物的前提下，實時甚至遠程監測作物體內脅迫信號分子變化規律的新方案。表1列舉了一些目前用于檢測作物脅迫信號分子的感應元件。

表1 作物脅迫信號分子及相應的納米感應元件[4]

納米材料具有獨特的光學和電子特性，其具有不易發生光漂白，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，光誘導激發態電子從納米管價帶轉移到吸附分子（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體手性單層碳納米管進行非共價表面修飾，進而開發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傳感器如AT15-SWCNT等，能夠對重要的逆境信號分子過氧化氫（H2O2）進行實時監測，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）激發下，根據植物體內H2O2的水平來發生熒光猝滅和恢復，從而實現對體內H2O2水平和變化規律的監測。Son等開發了單層碳納米管（SWCNT）和納米線的場效應晶體管（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）也是一種廣泛應用于光學傳感應用的納米顆粒，具有從可見光到近紅外的明亮可調發射范圍。Wu等研究開發的一種量子點光學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）是作物病原反應中的信號分子之一，有研究人員開發了一種新的體系（分子-助劑-金屬納米顆粒），并基于表面增強拉曼散射（SERS）實現試劑輔助的水楊酸甲酯檢測[20]。該系統由MS分子、4，4′（六氟異丙基）雙（苯甲酸）以及銀納米顆粒（AgNPs）構成。

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

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、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，為糧食生產和安全帶來了嚴峻的挑戰[21-23]。遺傳編碼傳感器是一個強有力的工具，它能監測植物體內蛋白質的存在和活性、分子濃度以及離子動力學，可以有利于基礎研究，從而有利于促進農業高效生產。

目前大多數生物傳感器能夠對植物信號分子進行亞細胞監測和分析，為設計和改造智能植物傳感器提供關鍵知識。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。類似構建的技術平臺可適用于表型鑒定設施[25]中的熒光成像或使用改進的便攜式現場設備。遺傳編碼傳感器目前在植物葉和根的信號分子檢測應用中有較好的進展[26-32]。目前，在轉基因植物模型系統中，如擬南芥[27-29]和水稻作物對非生物和生物脅迫的反應中[26]，基于熒光共振能量轉移（FRET）的傳感器能夠以高時間分辨率（10s）和生理濃度范圍內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]，并在激發子誘導的氧化爆發期間以15s的時間分辨率檢測生理pH范圍內的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信號。

植物中遺傳編碼傳感器的穩定或瞬時表達目前仍局限于一些可進行遺傳轉化的物種，仍需借助基因槍轟擊和根癌農桿菌轉化方法。而近幾年興起的以碳納米管為代表的DNA遞送系統則打破了這一局限，可望遞送遺傳編碼感應器到非模式作物中，從而有利于實時獲取農業生產中的作物信息。納米材料遞送DNA等遺傳物質到非模式作物中進行遺傳轉化已經在小麥、芝麻等一些作物中有所體現[35-36]。單層碳納米管（SWCNT）具有通過被動和自發轉運過程穿透植物脂質雙層的能力[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如DNA等進入植物細胞的載體。通過將遺傳物質與SWCNT結合并通過無針注射器將其施用于葉片，可以在不使用農桿菌或基因槍轟擊的情況下將DNA轉移到植物[35-36]。此外，也有研究表明，磁性納米顆粒能夠使棉花穩定遺傳轉化，并成功培育出轉基因植物，這種磁性納米顆粒介導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監測作物信息的一個有效途徑，有較好的發展潛力和前景。

4 基于納米技術的可穿戴傳感器

可穿戴傳感器最初指的是可與衣服結合或佩戴在身上的電子裝置，迄今為止在生物醫學領域已得到廣泛研究，目的是持續獲取與生物體健康相關的特征信息[40]。目前可穿戴設備的概念已經擴展到植物，因為它們能夠在位點上連續跟蹤重要的生理和病理參數。創建基于納米技術的可穿戴平臺，可為植物提供微創傳感器，這類可應用農業生產領域的納米傳感器具有較長使用周期，單位時間內成本更低，未來有廣闊的商業應用前景。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絡正在實現低濃度揮發性分子的實時無線通信[41]。例如，Lee等人開發了使用SWCNT s-石墨的全碳膜電子學（即場效應晶體管（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，以便使用電子設備進行無線監測，而無需對低至5ppm的氣體分子濃度進行功耗響應[42]。基于可穿戴納米技術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合物的傳感器，可以長期監測亞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鍵指標[44]。基于碳納米管的植物揮發性有機化合物（例如乙烯）傳感裝置目前已在農業生產上有商業化應用。雖然已經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業生產如栽培與管理措施方面的應用還有待研究。未來基于納米技術的可穿戴傳感器還需要高靈敏度并在可變環境條件下提高信噪比。例如，為了監測與植物健康狀況相關的植物揮發有機物，可穿戴傳感器應該能夠監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移到各種類型的膠帶上[47]。該傳感器根據不同濕度環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水率。植物的導水率和蒸騰水平可以作為環境溫度和植物干旱脅迫的指標。作為監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測植物對各種非生物脅迫的反應[48]。他們開發了一種氣孔機電孔徑傳感器，通過碳納米管監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閉。通過監測氣孔的開閉，可以檢測到土壤水勢、入射光強度和晝夜循環等環境條件，分別對應于較高和較低的水阻力。事實上，在作物栽培等農業生產領域，一種基于3D打印的PlantCopter也被用于大田小氣候監測應用。這種亞細胞級傳感器的設計原理及工作方法也源于納米仿生學與可穿戴的納米傳感器[49]。

5 結束語

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、農業科學與不同學科領域進行跨學科融合。農業的升級換代離不開信息化與現代化。而信息化與現代化的智慧農業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在作物信息獲取方面的可能途徑以及相關的一些研究進展，有利于從更多的維度理解智慧農業的內涵。當前，納米生物技術在農業生產的實際應用方面還面臨著諸多挑戰（如復合脅迫下的信號分子變化規律的實時監測），還需將納米傳感器、作物信息技術、植物脅迫、物聯網與智能農業設備緊密聯系起來，為促進智慧農業發展提供助力。