智慧农业研究进展：应用纳米生物技术获取作物信息*

李家其 ，吴 晗 ，陶云鹏 ，徐雯颍 ，戚 杰 ，叶 婷 ，吴洪洪 ，3*

（1.华中农业大学 植物科学技术学院/华中农业大学深圳营养与健康研究院，湖北 武汉 430070；2.武汉船舶职业技术学院 计算机信息技术学院，湖北 武汉 430050；3.中国农业科学院深圳农业基因组研究所/岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心，广州 深圳 518000）

1 背景与前言

农业高效生产离不开有效的作物栽培与相应的管理措施。作物栽培的一个主要研究方向是作物生长发育、产量和品质形成规律及其与环境条件的关系。在生产中应用高效栽培管理、生长调控和优化决策等方法，有利于促进作物高产、优质、高效及可持续发展。毋庸置疑，传统的作物栽培与管理措施等为解决我国粮食安全问题做出了突出贡献，但随着信息化、自动化技术的发展，传统栽培也显现出一定的短板。例如投入大收益少、种植效率低、过度依赖大量的人力物力，以及资源分配不协调进而造成资源浪费和环境污染。许多发达国家在农业生产中已经使用机械化、智能化的作物栽培与管理方式，生产效率和质量得到很大提升。

近年来，纳米农业是一个热门研究领域。纳米生物技术在农业生产中的应用方兴未艾，各种纳米材料以及纳米级元件组成的装置被研究开发并用于农业生产，有望为传统栽培向现代化、智能化栽培转换注入新的动力。高效的作物栽培与管理离不开对作物信息的获取。纳米生物技术在作物信息获取过程中有其独到之处，能够使智能植物传感器与电子设备通信并驱动电子设备，以提高植物生产力，优化水、肥和农药分配，并实现高通量植物表型分析，减少因环境和病虫害相关胁迫造成的作物产量损失、提高资源利用效率。本文将重点介绍已经用于获取作物信息的几种纳米生物学技术手段，并讨论其在传统栽培向智慧农业转型中的可能作用。

2 利用纳米感应元件监测胁迫信号分子

2.1 作物胁迫信号分子

随着全球气候变暖、水土流失、耕地盐碱化，以及病虫害等胁迫的频繁发生，为保证粮食的正常供给，作物高效生产一直是主流方向。因此，如何增强作物逆境抵抗能力、减少胁迫造成的减产，一直以来是作物高效生产的主要研究方向之一。传统栽培学注重从宏观角度解决作物在生长繁殖过程中所遇到的各种问题，但在面对复杂的生物问题时常常缺乏一些较好的微观层次调控的技术手段。例如，逆境胁迫下，作物会产生不同的胁迫信号分子，如活性氧（reactive oxygen species，ROS）、钙离子（Ca2+）、葡萄糖、蔗糖、一氧化氮（nitric oxide，NO）和植物激素。在研究作物逆境机理时，了解甚至预测这些信号分子的变化至关重要。在作物胁迫信号分子中，ROS具有双重作用，其在高水平累积情况下经常造成氧化损伤，而在低水平情况下则常在植物胁迫反应中发挥信号作用[1-2]。所有的信号分子中，Ca2+和ROS信号是较常见的植物胁迫信号分子[3-4]。而葡萄糖和蔗糖等糖分子也是重要的植物信号分子，可广泛调节植物的生理和发育变化[5-7]。此外，植物在面临不同类型胁迫时，脱落酸（ABA）、NO、水杨酸甲酯和乙烯等也起到信号分子作用。例如，ABA是干旱胁迫的早期信号[8-9]，而水杨酸甲酯和乙烯则主要参与植物病原防御反应[10-12]。植物激素茉莉酸协调生物和非生物胁迫反应，包括耐盐性、抗冻性以及干旱和创伤反应[13]。除上述这些较常见的胁迫信号分子之外，挥发性有机化合物（VOC）如异戊二烯等与植物应对强光、高温和水分胁迫有关[14]。开发和应用基于纳米技术的传感工具，实时监测植物中的这些关键胁迫信号分子，不仅有利于提高我们对植物胁迫信号传递机理的理解，而且有利于促进实现作物胁迫早期诊断。

2.2 检测信号分子的纳米传感器

在纳米生物技术出现之前，定量或者定性检测ROS、钙离子、葡萄糖、蔗糖、NO、VOC和植物激素等胁迫信号分子，需要经历如取样后测定或染色等一系列的复杂操作。而且通常这种检测以破坏性取样方式居多。因此，一方面这种离体检测的方法会破坏植物组织甚至细胞结构，从而影响结果的准确性；另一方面使用传统方法时常常难以对同一个部位的一种或多种胁迫信号分子进行连续实时的检测，且大量送测样品导致成本高昂。纳米生物技术则给出了在不伤害作物的前提下，实时甚至远程监测作物体内胁迫信号分子变化规律的新方案。表1列举了一些目前用于检测作物胁迫信号分子的感应元件。

表1 作物胁迫信号分子及相应的纳米感应元件[4]

纳米材料具有独特的光学和电子特性，其具有不易发生光漂白，在活体组织中具有荧光，并允许以高时空分辨率检测分析物的特性。在诸多纳米材料中，基于SWCNT的传感器用途广泛，可用于传感各种类别的分子。例如，一种使用DAP-dex葡聚糖修饰的单层碳纳米管通过胺中给予的孤对电子，可以在近红外（nIR）中实现对NO的快速和选择性荧光检测。在检测时，当NO附着在碳纳米管上，光诱导激发态电子从纳米管价带转移到吸附分子（NO）的LUMO能带，引起荧光猝灭，进而通过实时荧光变化检测NO[15]。多酚是作物遭受病害胁迫时的重要信号分子。最近有研究人员使用单链核苷酸和聚乙二醇对半导体手性单层碳纳米管进行非共价表面修饰，进而开发出一种植物多酚传感器（PEG-PLSWCNTs）[16]。该传感器具有超高的时空分辨率，能够用于进行多酚的高通量筛选（图1）。研究人员在大豆幼苗的体外实验中验证了该纳米传感器在活体植物中的良好生物兼容性。另一种基于碳纳米管的光学传感器如AT15-SWCNT等，能够对重要的逆境信号分子过氧化氢（H2O2）进行实时监测，其在近红外波段组织透明具有很高的信噪比[17]。在785nm激光（250mW）激发下，根据植物体内H2O2的水平来发生荧光猝灭和恢复，从而实现对体内H2O2水平和变化规律的监测。Son等开发了单层碳纳米管（SWCNT）和纳米线的场效应晶体管（FET）型生物传感器（NTS），在使用Fluo-4-AM荧光探针对其进行功能化后，NTS能够以实时电流和荧光变化的形式检测HeLa细胞内钙离子（Ca2+）浓度的变化（100nM-1 mM）[18]。此外，量子点（quantum dots，QD）也是一种广泛应用于光学传感应用的纳米颗粒，具有从可见光到近红外的明亮可调发射范围。Wu等研究开发的一种量子点光学探针能够高选择性地检测几百微摩尔水平的葡萄糖[19]。如前所述，水杨酸甲酯（MS）是作物病原反应中的信号分子之一，有研究人员开发了一种新的体系（分子-助剂-金属纳米颗粒），并基于表面增强拉曼散射（SERS）实现试剂辅助的水杨酸甲酯检测[20]。该系统由MS分子、4，4′（六氟异丙基）双（苯甲酸）以及银纳米颗粒（AgNPs）构成。

图1 用近红外荧光多酚传感器检测和成像植物病原菌反应

3 利用纳米材料递送的遗传编码传感器

近年来，由于土壤情况不断变化，如土壤板结、酸化、盐渍化等，加之一些极端的天气，以及不断增加的人口对粮食的需求增加，为粮食生产和安全带来了严峻的挑战[21-23]。遗传编码传感器是一个强有力的工具，它能监测植物体内蛋白质的存在和活性、分子浓度以及离子动力学，可以有利于基础研究，从而有利于促进农业高效生产。

目前大多数生物传感器能够对植物信号分子进行亚细胞监测和分析，为设计和改造智能植物传感器提供关键知识。例如，研究人员使用遗传编码传感器[24]研究了食草动物攻击下全植物中钙水平的实时成像。类似构建的技术平台可适用于表型鉴定设施[25]中的荧光成像或使用改进的便携式现场设备。遗传编码传感器目前在植物叶和根的信号分子检测应用中有较好的进展[26-32]。目前，在转基因植物模型系统中，如拟南芥[27-29]和水稻作物对非生物和生物胁迫的反应中[26]，基于荧光共振能量转移（FRET）的传感器能够以高时间分辨率（10s）和生理浓度范围内报告叶片和根系中的糖，包括葡萄糖和蔗糖。而且遗传编码传感器能以非常高的时间分辨率（1.5s）对钙动力学进行成像[24，30-31，33]，并能够检测根中微摩尔水平的葡萄糖[28]。遗传编码传感器可在亚细胞水平上检测叶绿体和细胞核中的H2O2[32]，并在激发子诱导的氧化爆发期间以15s的时间分辨率检测生理pH范围内的H2O2[34]。总的来说，遗传编码传感器可在植物生理范围和时间分辨率尺度上拥有良好的灵敏度，能够检测各种植物信号分子，从而获取作物信息。植物细胞中信号分子或代谢物的浓度变化是动态的，但遗传编码传感器具有秒级的时间分辨率，因此可以实时报告此时间尺度上的化学信号。

植物中遗传编码传感器的稳定或瞬时表达目前仍局限于一些可进行遗传转化的物种，仍需借助基因枪轰击和根癌农杆菌转化方法。而近几年兴起的以碳纳米管为代表的DNA递送系统则打破了这一局限，可望递送遗传编码感应器到非模式作物中，从而有利于实时获取农业生产中的作物信息。纳米材料递送DNA等遗传物质到非模式作物中进行遗传转化已经在小麦、芝麻等一些作物中有所体现[35-36]。单层碳纳米管（SWCNT）具有通过被动和自发转运过程穿透植物脂质双层的能力[37-38]。因此，单层碳纳米管具有巨大的潜力，可以作为外源遗传物质如DNA等进入植物细胞的载体。通过将遗传物质与SWCNT结合并通过无针注射器将其施用于叶片，可以在不使用农杆菌或基因枪轰击的情况下将DNA转移到植物[35-36]。此外，也有研究表明，磁性纳米颗粒能够使棉花稳定遗传转化，并成功培育出转基因植物，这种磁性纳米颗粒介导的核酸在植物细胞中传递的方法是在外部磁场的帮助下实现的[39]。综上所述，纳米材料平台如碳纳米管是打破物种局限，递送遗传编码器到植物体内监测作物信息的一个有效途径，有较好的发展潜力和前景。

4 基于纳米技术的可穿戴传感器

可穿戴传感器最初指的是可与衣服结合或佩戴在身上的电子装置，迄今为止在生物医学领域已得到广泛研究，目的是持续获取与生物体健康相关的特征信息[40]。目前可穿戴设备的概念已经扩展到植物，因为它们能够在位点上连续跟踪重要的生理和病理参数。创建基于纳米技术的可穿戴平台，可为植物提供微创传感器，这类可应用农业生产领域的纳米传感器具有较长使用周期，单位时间内成本更低，未来有广阔的商业应用前景。基于置于植物表面的柔性可穿戴纳米电子电路的传感器网络正在实现低浓度挥发性分子的实时无线通信[41]。例如，Lee等人开发了使用SWCNT s-石墨的全碳膜电子学（即场效应晶体管（FET）传感器），该传感器可与活体植物集成，石墨电极的高灵敏度可以检测空气中化学元素的痕量水平，可穿戴SWCNT-石墨传感器可通过射频（RF）进行操作，以便使用电子设备进行无线监测，而无需对低至5ppm的气体分子浓度进行功耗响应[42]。基于可穿戴纳米技术的传感器的弹性特性就像一张“柔性皮肤”，可以弯曲到曲率半径小至约100μm的生物体上[43]。基于单层碳纳米管并载有铜复合物的传感器，可以长期监测亚ppm浓度的乙烯。而乙烯是一种植物激素，是水果开始成熟的关键指标[44]。基于碳纳米管的植物挥发性有机化合物（例如乙烯）传感装置目前已在农业生产上有商业化应用。虽然已经报道了基于石墨烯和碳纳米管的高度可拉伸的可穿戴传感器，以无线的方式监测气体和水相分子的波动范围，包括来自哺乳动物表皮细胞的葡萄糖浓度[45-46]等，但迄今为止可穿戴的纳米传感器在农业生产如栽培与管理措施方面的应用还有待研究。未来基于纳米技术的可穿戴传感器还需要高灵敏度并在可变环境条件下提高信噪比。例如，为了监测与植物健康状况相关的植物挥发有机物，可穿戴传感器应该能够监测非常低的浓度范围，或明确允许检测的浓度机制。对此，Oren等人提出了一种灵活的微型植物纹身传感器，该传感器将石墨烯基纳米材料制成图案并转移到各种类型的胶带上[47]。该传感器根据不同湿度环境下石墨烯电阻的变化，通过测量从根到叶的水分传输时间和植物的蒸腾水平来估算导水率。植物的导水率和蒸腾水平可以作为环境温度和植物干旱胁迫的指标。作为监测气孔附近含水量的替代方法，Koman及其同事针对气孔行为监测植物对各种非生物胁迫的反应[48]。他们开发了一种气孔机电孔径传感器，通过碳纳米管监测气孔上人造电路的电阻变化，实时跟踪单个气孔的打开和关闭。通过监测气孔的开闭，可以检测到土壤水势、入射光强度和昼夜循环等环境条件，分别对应于较高和较低的水阻力。事实上，在作物栽培等农业生产领域，一种基于3D打印的PlantCopter也被用于大田小气候监测应用。这种亚细胞级传感器的设计原理及工作方法也源于纳米仿生学与可穿戴的纳米传感器[49]。

5 结束语

要满足本世纪中叶全球粮食需求的迅速增长，需要植物科学、农业科学与不同学科领域进行跨学科融合。农业的升级换代离不开信息化与现代化。而信息化与现代化的智慧农业则离不开对作物信息的获取。本文论述了目前纳米生物技术在作物信息获取方面的可能途径以及相关的一些研究进展，有利于从更多的维度理解智慧农业的内涵。当前，纳米生物技术在农业生产的实际应用方面还面临着诸多挑战（如复合胁迫下的信号分子变化规律的实时监测），还需将纳米传感器、作物信息技术、植物胁迫、物联网与智能农业设备紧密联系起来，为促进智慧农业发展提供助力。