Senzory připojené k rostlině umožňují nepřetržité sledování jejího zdraví

10. 05. 2022 Doc. Dr. Ing. Jaroslav Salava; Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., Praha-Ruzyně Choroby Zobrazeno 1285x

Vědci z North Carolina State University vyvinuly sestavu senzorů, která může být připojena k rostlinám, aby mohly být nepřetržitě sledovány choroby rostlin nebo jiné stresy, jako je poškození nebo extrémní teplota. Tým vědců vytvořil senzor připojitelný k rostlině, který neinvazivním způsobem sleduje stres a choroby rostlin měřením těkavých organických sloučenin (VOC) vylučovaných rostlinami.

Současné metody testování stresů nebo chorob rostlin zahrnují odebírání vzorků rostlinných pletiv a provádění testů v laboratoři. To však poskytne pěstitelům pouze jednu informaci a mezi tím, kdy pěstitelé odebírají vzorek a kdy získají výsledky testu, je časový odstup.

Rostliny vylučují v různých situacích rozdílné kombinace VOC. Zaměřením na různé organické sloučeniny, které souvisí s významnými chorobami nebo stresy rostlin, mohou senzory upozornit uživatele na specifické problémy. Vyvinutá technologie monitoruje emise VOC z rostliny nepřetržitě, aniž by to rostlině škodilo. Prototyp, který vědci předvedli, ukládá data z monitoringu, ale budoucí verze budou data přenášet bezdrátově. Vytvořený senzor umožní pěstitelům identifikovat problémy v terénu a nebudou muset čekat, až obdrží výsledky testů z laboratoře.

Obdélníkové sestavy senzorů jsou dlouhé 30 milimetrů a sestávají z pružného materiálu obsahujícího senzory na bázi grafenu a flexibilní stříbrné nanodráty. Senzory jsou potaženy různými chemickými ligandami, které reagují na přítomnost specifických VOC, což umožňuje systému detekovat a měřit VOC v plynech vylučovaných listy rostliny.

Testování senzoru

Vědci testovali prototyp zařízení na rostlinách rajčat. Prototyp byl vytvořen tak, aby sledoval dva typy stresu: fyzické poškození rostliny a infekce Phytophthora infestans, patogenem, který u rajčat způsobuje chorobu plíseň rajčete. Systém detekoval změny VOC spojené s fyzickým poškozením během jedné až tří hodin, v závislosti na tom, jak blízko bylo poškození od místa připojení senzoru.

Zjišťování přítomnosti P. infestans trvalo déle. Vyvinutá technologie nezachytila změny v emisích VOC dříve než 3 až 4 dny poté, co vědci naočkovali rostliny rajčete. To není výrazně rychlejší než výskyt vizuálních příznaků choroby plísně rajčete. Monitorovací systém však znamená, že pěstitelé se nemusí poléhat na detekci specifických vizuálních příznaků. Nepřetržité sledování by pěstitelům umožnilo co nejrychleji identifikovat choroby rostlin, což by jim pomohlo omezit šíření choroby.

Testované prototypy již dokážou s vysokou přesností detekovat 13 různých rostlinných VOC, což uživatelům umožňuje vyvinout sestavy senzorů na zakázku zaměřené na stresy a choroby, o kterých si pěstitel myslí, že jsou nejdůležitější.

Další vývoj

Je také důležité si uvědomit, že použité materiály jsou poměrně laciné. Pokud by se výroba rozšířila, vědci si myslí, že by tato technologie byla cenově dostupná. Vědci se snaží vyvinout praktické řešení problému z reálného světa a ví, že cena je důležitým hlediskem.

Vědecký tým v současné době pracuje na vývoji nové generace sestav senzorů, která dokáže monitorovat teplotu, vlhkost a další proměnné prostředí i VOC. A zatímco současné prototypy jsou napájeny z baterie a ukládají data na místě, vědci plánují, že budoucí verze budou napájeny solární energií a budou schopné bezdrátového přenosu dat.

Zdroj:
Li Z., Liu Y., Hossain O., et al. (2021): Real-time monitoring of plant stresses via chemiresistive profiling of leaf volatiles by a wearable sensor. Matter., 4(7): 2553-2570. doi:10.1016/j.matt.2021.06.009