Багатофункціональна електронна накладка забезпечує раннє виявлення хвороб рослин

Дослідники з Університету штату Північна Кароліна розробили електронний пластир, який можна наклеювати на листя рослин для моніторингу сільськогосподарських культур на наявність різних патогенів, таких як вірусні та грибкові інфекції, а також стресів, як посуха чи засолення. У ході тестування дослідники виявили, що пластир здатний виявляти вірусну інфекцію в помідорах більш ніж за тиждень до того, як виробники зможуть виявити видимі симптоми хвороби.

"Це важливо, тому що чим раніше виробники зможуть визначити хвороби рослин або грибкові інфекції, тим краще вони зможуть обмежити поширення хвороби і зберегти свій урожай", - говорить Циншань Вей, автор статті про роботу та помічник. професор хімічної та біомолекулярної інженерії у штаті Північна Кароліна. Крім того, чим швидше виробники зможуть виявляти абіотичні стреси, такі як зрошувальна вода, забруднена вторгненням солоної води, тим краще вони зможуть вирішувати відповідні проблеми і підвищувати врожайність.

Стаття «Абаксіальний мультимодальний датчик на поверхні листа для безперервного моніторингу фізіології рослин» опублікована 12 квітня в журналі Science Advances з відкритим доступом.

Технологія заснована на попередньому патчі-прототипі, який виявляв хвороби рослин шляхом моніторингу летких органічних сполук (ЛОС), що виділяються рослинами. Рослини виділяють різні комбінації ЛОС за різних обставин. Націлюючи ЛОС, які мають відношення до конкретних захворювань або стресу рослин, датчики можуть попереджати користувачів про конкретні проблеми.

"Нові патчі включають додаткові датчики, що дозволяють їм контролювати температуру, вологість навколишнього середовища і кількість вологи, що "видихається" рослинами через їх листя", - говорить Юн Чжу, співавтор статті, і Ендрю А. Адамс. Заслужений професор машинобудування та аерокосмічної техніки у штаті Північна Кароліна.

Самі патчі невеликі – всього 30 міліметрів у довжину – складаються з гнучкого матеріалу, що містить датчики та електроди на основі срібних нанодротів. Патчі розміщують на нижній стороні листя, яке має більш високу щільність продихів - пір, які дозволяють рослині «дихати», обмінюючись газами з навколишнім середовищем.

Дослідники протестували нові патчі на рослинах помідорів у теплицях і експериментували з патчами, які включали різні комбінації датчиків. Рослини томатів були інфіковані трьома різними патогенами: вірусом плямистого в'янення томатів (TSWV); рання гниль, що є грибковою інфекцією; та фітофтороз, який є типом патогену, званого ооміцетом. Рослини також піддавалися різним абіотичним стресам, таким як надмірний полив, посуха, нестача світла та висока концентрація солей у воді.

Дослідники взяли дані з цих експериментів та підключили їх до програми штучного інтелекту, щоб визначити, які комбінації датчиків працюють найбільш ефективно для виявлення як хвороб, так і абіотичного стресу.

«Наші результати щодо виявлення всіх цих проблем були багатообіцяючими в усіх напрямках», — каже Вей. «Наприклад, ми виявили, що, використовуючи комбінацію трьох датчиків на грядці, ми змогли виявити TSWV через чотири дні після першого зараження рослин. Це значна перевага, оскільки помідори зазвичай не виявляють жодних фізичних симптомів». TSWV від 10 до 14 днів».

Дослідники кажуть, що вони за два кроки від патчу, який зможуть використовувати виробники. По-перше, їм потрібно зробити патчі бездротовими — це просте завдання. По-друге, їм необхідно протестувати патчі в польових умовах, поза теплицями, щоб переконатися, що вони працюватимуть у реальних умовах.

«В даний час ми шукаємо партнерів у промисловості та сільському господарстві, які допоможуть нам у розробці та тестуванні цієї технології», – каже Чжу. «Це може стати значним кроком уперед, щоб допомогти виробникам запобігти перетворенню невеликих проблем на великі, а також допомогти нам осмислено вирішувати проблеми продовольчої безпеки».