Появились патч-мониторы для растений на наличие болезней и факторов стресса окружающей среды

«Умное» сельское хозяйство, использование инновационных технологий для предоставления информации о таких важных факторах, как вода, типы почвы и болезни, приобрело популярность как средство обеспечения глобальной продовольственной безопасности.

Болезни растений приводят к потере от 20% до 40% урожая ежегодно, что не только сокращает производство продуктов питания, но и видовое разнообразие, не говоря уже о затратах на борьбу с болезнями. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций, в 2030 году около 670 миллионов человек (это 8% населения планеты) будут недоедать.

Носимые на растениях датчики, способные обеспечивать неинвазивный мониторинг в реальном времени, не являются чем-то новым. Но существующие датчики ограничены в том, что они могут контролировать, имеют низкую чувствительность и не выявляют конкретные заболевания.

Помня о важности поддержания здоровых культур, исследователи из Университета штата Северная Каролина разработали более продвинутый электронный патч, который помещается непосредственно на листья растений для мониторинга патогенных инфекций и факторов окружающей среды.

Патчи небольшие — всего 30 мм в длину — и сделаны из гибкого материала, содержащего датчики и электроды на основе серебряных нанопроволок. Их размещают на нижней стороне листа растения, где больше пор, которые позволяют растению «дышать». Патчи представляют собой обновление более ранней версии, которая выявляла болезни растений путем измерения летучих органических соединений.

«Новые патчи включают в себя дополнительные датчики, позволяющие им контролировать температуру, влажность окружающей среды и количество влаги, «выдыхаемой» растениями через листья», — сказал Юн Чжу, соавтор исследования.

Чтобы протестировать свой новый пластырь, исследователи обратились к скромному помидору, одному из наиболее широко потребляемых сельскохозяйственных продуктов. Растения томата восприимчивы ко многим патогенам, включая грибки, вирусы и бактерии, которые существенно снижают урожайность и качество плодов.

Растения томатов, размещенные в теплице, были инфицированы тремя патогенами: вирусом пятнистого увядания томатов (TSWV); ранняя гниль, грибковая инфекция; и фитофтороз, вызванный грибоподобным патогеном - оомицетом. Растения также подвергались воздействию абиотических (неживых) стрессоров, таких как чрезмерный полив, засуха, недостаток света и высокая засоленность.

«Это важно, потому что чем раньше производители смогут выявить болезни или грибковые инфекции, тем лучше они смогут ограничить распространение болезней и сохранить свой урожай», — сказал Циншань Вей, соавтор исследования. «Кроме того, чем быстрее производители смогут выявлять абиотические стрессы, такие как оросительная вода, загрязненная вторжением соленой воды, тем лучше они смогут решать соответствующие проблемы и повышать урожайность».

Экспериментируя с комбинацией датчиков, исследователи проанализировали данные с помощью модели машинного обучения для определения, какая комбинация более эффективна для выявления болезней и стрессов. Модель подтвердила, что для максимальной эффективности требуется как минимум три датчика.

«Наши результаты по обнаружению всех этих проблем были многообещающими по всем направлениям», — сказал Вэй. «Например, мы обнаружили, что, используя комбинацию из трех датчиков на участке, мы смогли обнаружить TSWV через 4 дня после первого заражения растений. Это значительное преимущество, поскольку помидоры обычно не проявляют никаких физических симптомов TSWV в течение 10–14 дней».

Исследователи говорят, что они близки к созданию участка, который могут использовать производители сельскохозяйственных культур. Они намерены сделать патчи беспроводными, а затем протестировать их в полевых условиях за пределами теплицы, чтобы убедиться, что они работают в реальных условиях.

«В настоящее время мы ищем партнеров в промышленности и сельском хозяйстве, которые помогут нам продвинуться вперед в разработке и тестировании этой технологии», — сказал Чжу. «Это может стать значительным шагом вперед, чтобы помочь производителям предотвратить превращение небольших проблем в большие, а также помочь осмысленно решать проблемы продовольственной безопасности».

Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.