植物生理传感器的研究现状与应用展望
来源:用户上传
作者:
摘 要：植物生长发育状况对农业生产指导有着不可忽视的作用。本文利用植物生长的特点，从植物内部生理状态、外部形态特征和大气环境监测3个方面入手，论述了植物生理传感器的研究现状。主要介绍了植物径流速度、激素、葡萄糖等小分子、pH、叶片面积和果实直径测定的生理传感器，以及农业化生产环境的一体化监测系统，并详述了其各自的特点。随着植物生理学的发展以及相关研究的深入，无损在线式监测和新型传感器的开发将是未来研究的重点。
关键词：电化学生物传感器;植物生理传感器;植物生理信号
中图分类号：S-1
文献标识码：A
引言
随着智慧农业、精准农业及数字农业概念的相继提出，传感器技术在农业领域发挥着至关重要的作用，尤其在农业的原始信息采集与获取这一环节。当前常见的农业类传感器主要有畜牧水产类、气体土壤类、大气环境类及植物生理类等4大类，其中植物生理类尤为重要。植物生长发育状况的检测对农业生产指导有着不可忽视的作用。利用植物生理传感器测量植物生长状况，再配套环境类传感器检测温湿度等环境因子，可以达到对植物的科学精准控制与管理，摆脱以人为经验方式的农业生产指导，实现作物高产优质，保障我国粮食安全。
1 表征植物生长状况的生理指标
植物的生长在内部生理状态方面，主要表现在径流速度、激素、葡萄糖等小分子和pH的变化。植物维持自身生长需要消耗大量水分，因此径流传输速度制约着整株植物的蒸腾量。植物激素是在植物体中合成，能调控生长发育、应对外界刺激的痕量化合物，不同植物组织或器官中激素的种类和含量差异巨大。葡萄糖在生物体内具有极其重要的生理意义，而植物多糖由于其功能多和安全性被越来越多的人所关注。
2 传感器在植物中的应用研究
2.1 植物内部生理状态传感器
2.1.1 径流速度测量传感器
目前，植物径流传感器的测量主要采用热技术方法，包括热场变形法、热扩散法和热平衡法等。其中，热扩散法是将一对热电偶探针布置在主干上方和下方，仅加热上部探针，并根据2个探针之间的温差计算液体流量。
2.1.2 植物激素类传感器
植物激素是植物内源性发育的风向标，其可以整合外部信号来控制植物的生长并调节所有的植物活动，包括从胚胎到器官的产生、生物防御、胁迫耐受和生殖发育。其中，电化学方法具有灵敏度高、准确度高、测量范围广、设备廉价简单的特点，被广泛用于测试或表征样品。电化学法常用的技术包括电化学阻抗谱、差分脉冲伏安法和循环伏安法等。
2.1.3 葡萄糖等小分子传感器
由于葡萄糖的检测对象多为组织液和血液，对植物进行葡萄糖分析的研究较少，原因在于植物组织液中的果糖等还原性物质会严重干扰葡萄糖的分析，因此大部分葡萄糖检测方法是基于酶的高特异性进行的。植物中葡萄糖经典的检测方法是利用葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化生成过氧化氢，再用辣根过氧化物酶催化生成有色产物，用分光光度法进行检测。该方法的主要缺点是含有致癌物质，并污染环境。因此，新的植物葡萄糖检测方法的开发引起了广泛的讨论。
2.2 植物外部形态特征传感器
2.2.1 叶片面积测量传感器
叶片是植物的重要组成部分之一，在植物生长中起着重要作用，其生长状态会影响植物直接利用太阳能的效率。因此，叶片是植物外部形态特征中的重要参数。
现在有越来越多方法采用激光传感器测量叶片参数。这种传感器可以通过扫描植物冠层和叶片结构来快速获取叶片表面的点云数据。因此可以在室内或野外条件下生成结果。Garrido等对植物的3D可视化和虚拟植物进行了大量研究，将植物的3D点云数据和生长规律应用于建模，并以此方式计算和提取一些叶子参数。
2.2.2 果径传感器
植物果实的生长受湿度、温度和光照因素等影响。通过果实大小的变化可以观测农作物的生长过程及其生理状况。果实大小的变化可监测作物水分状况，并用于自动灌溉系统。因此对植物果实大小的准确检测具有重要意义。
现有的植物果实尺寸测量仪器主要是线性位移传感器游标卡尺和游标卡尺，然而这些方法不能准确且连续地测量果实大小。曾庆兵等采用基于计算机视觉的葡萄果实直径测量的非接触重叠方法，在自然条件下连续准确地测量葡萄果径，实验产生的图像也有助于葡萄生长模型研究。
2.3 植物大气环境监测传感器
在设施农业监测系统中，温湿度、光照、二氧化碳等情况是植物生长环境中需要监测的数据。因此，需要针对农业环境，增强监测能力，促进农业科技发展。同时，互联网和无线传感器网络等也提供技术支持。艾海波等在STM32微工厂的基础上设计了一个温湿度监控系统，可以准确地调节温度、湿度、光照等因素，实现蔬菜的连续自动化种植。该系统基于嵌入式平台的温度和湿度监控系统，以STM32微控制器为核心芯片，使用多个温湿度传感器模块实时收集温度和湿度信息。
3 植物生理传感器未来研究的重点与展望
植物内部生理状态和外部形态特征可反映其生长状态，利用植物生理传感器可指导植物处于最佳生长状态。本文主要介绍了植物径流速度、激素、葡萄糖等小分子、pH、叶片面积和果实直径的测定的生理传感器，以及农业化生产环境的一体化监测系统，并详述了其各自的特点。
随着植物生理学的发展以及相关研究的深入，植物生理传感器今后研究会向着无损在线式监测方向发展，包括提高植物生理传感器的灵敏度、高精度和实际环境部署中的鲁棒性问题;研发多种类微型化、智能化的植物生理传感器;植物生理传感器与其它类传感器的融合，达到真正的无线网络化、数字化、智能化。
参考文献
[1] 邱兆美，张昆，毛鹏军. 我国植物生理传感器的研究现状[J].农机化研究，2013，35（08）：236-240.
[2]季虹.基于热比率法（HRM）的茎流测量及环境因子修正方法研究 [D].哈尔滨：东北林业大学，2012.
[3]刘丹，罗斌，龙永红，侯佩臣，陈泉，王成. 一种植物茎流传感器及其数据采集系统研究[J]. 中国农学通报，2015，31（07）：97-103.
[4]朱莉莉，陈雅雯，王棚涛，马同森，张君丽. HPLC-MS/MS 同时测定植物6种內源激素含量方法的优化[J]. 河南大学学报（自然科学版），2020，50（03）：298-304.
[5] Tian Gan，Chengguo Hu， Zilin Chen， Shengshui Hu. A disposable electrochemical sensor for the determination of indole-3-acetic acid based on poly（safranine T）-reduced graphene oxide nanocomposite[J]. Talanta， 2011， 85（1）： 310-316.
[6] 李海洋. 植物激素傳感器的制备及其对盐胁迫下植物IAA、SA含量测定的研究[D].绵阳：西南科技大学，2015.
[7] 占达东，王周平，吕家根. 荧光素 -GOD-HRP 荧光淬灭法测定植物果实组织中的葡萄糖含量[J].海南大学学报（自然科学版），2004，22（01）：57-59.
（责任编辑 贾灿）
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15274586.htm
