新加坡-麻省理工学院研究和技术联盟 与物种无关的分析平台可以促进反馈控制的高密度农业的创建
信用:贝特西·斯克里普，麻省理工学院 来自新加坡-麻省理工学院研究和技术联盟(SMART)的农业精密破坏性和可持续技术跨学科研究小组(IRG)、麻省理工学院在新加坡的研究机构和淡马锡生命科学实验室(TLL)的研究人员强调了快速和非破坏性分析工具的潜力，这些工具实时提供活植物的组织细胞或细胞器特定信息，可用于任何植物物种
在《自然植物》科学杂志上发表的一篇题为“下一代农业的物种无关分析工具”的前瞻性论文中，SMART DiSTAP研究人员报告说，他们使用了两种工程植物纳米传感器和便携式拉曼光谱来检测生物和非生物胁迫，监测植物激素信号，并以非侵入性或微创方式表征土壤、植物生物群落和作物健康
研究人员讨论了这些工具如何在实验室中的模型植物和农业相关植物的田间应用之间架起桥梁
它们还提供了对未来前景、经济潜力以及将这些技术纳入未来农业实践的实施战略的评估
据U
普通
据估计，未来30年内，全球人口预计将增长20亿，这将增加对粮食和农产品的需求，以满足日益增长的人口
今天，生物和非生物环境压力，如植物病原体、温度突然波动、干旱、土壤含盐量和有毒金属污染——因气候变化而变得更糟——损害了作物生产力，并导致全球农业产量的重大损失
五种具有全球重要性的主要作物(小麦、水稻、玉米、马铃薯和大豆)估计有11%至30%的产量损失是由作物病原体和昆虫造成的；在已经遭受粮食不安全的地区，作物损失最大
在这种背景下，需要对创新技术和工具进行研究，以促进可持续农业实践，满足日益增长的粮食和粮食安全需求——由于新冠肺炎大流行，这一问题已引起世界各国政府的关注
植物纳米传感器是在智能远程实验室开发的
它们比头发的宽度小，可以插入植物的组织和细胞中，以了解复杂的信号通路
便携式拉曼光谱仪也是由SMART DiSTAP开发的，是一种基于激光的便携式设备，可以测量激光激发引起的分子振动，产生高度特异性的拉曼光谱特征，提供植物健康的指纹
这些工具能够在从几秒到几分钟的短时间尺度内监测压力信号，允许实时早期检测压力信号
“植物纳米传感器和拉曼光谱的使用有可能提高我们对农业环境中作物健康、行为和动态的理解，”博士说
泰德里克·托马斯·萨利姆·卢是该论文的第一作者，也是麻省理工学院的一名研究生
“植物是动态生态系统中高度复杂的机器，对其内部运作和生态系统中不同微生物群落的基础研究对于发现有意义的信息非常重要，这些信息将有助于农民和实现可持续农业实践
这些下一代工具有助于应对植物生物学中的一个关键挑战，即弥合我们对实验室种植的模型植物和田间或生产设施中种植的农业相关作物的理解之间的知识差距
" 早期植物胁迫检测是及时干预和提高植物中特定类型胁迫条件的管理决策的有效性的关键
这些能够研究植物健康和实时报告压力事件的工具的开发将使植物生物学家和农民受益
从这些工具获得的数据可以转化为有用的信息，供农民实时做出管理决策，以防止产量损失和作物质量下降
这些与物种无关的工具也为研究人员提供了新的植物科学研究机会
与仅适用于实验室环境中的模型植物的传统基因工程技术相比，新工具适用于任何植物物种，这使得能够研究以前研究不足的与农业相关的作物
采用这些工具可以增强研究人员对植物科学的基本理解，并有可能弥合模型植物和非模型植物之间的差距
“SMART DiSTAP跨学科团队为本文的工作提供了便利，我们在评估过程中既有工程新农业技术方面的专家，也有这些技术的潜在最终用户，”该论文的合著者、DiSTAP联合首席研究员迈克尔·斯特拉诺教授和碳伙伴说
麻省理工学院化学工程教授
“一直以来，城市农民的梦想就是通过精确的投入和严格控制的变量，不断为植物创造最佳生长条件
这些工具开启了实时反馈控制方案的可能性，该方案将通过在城市农业的未来为植物提供最佳生长条件来加速和改善植物生长、产量、营养和烹饪特性
" “为了促进这些技术在农业中的广泛应用，我们必须验证它们的经济潜力和可靠性，确保它们比现有的方法更具成本效益和更有效，”该论文的合著者、亚太地区农业研究中心的共同首席研究员、TLL副主席蔡楠海教授解释说
“植物纳米传感器和拉曼光谱将允许农民根据植物内部的反应调整肥料和水的使用，以优化生长，提高资源利用的成本效率
最佳的收获条件也可以转化为更高的收入，因为客户愿意为提高产品质量支付额外费用
" 工程师、植物生物学家和数据科学家之间的合作，以及在野外条件下进一步测试新工具，并对其技术稳健性和经济潜力进行关键评估，对于确保未来农业技术的可持续实施至关重要
DiSTAP科学顾问委员会成员、RIKEN可持续资源科学中心代谢组学研究小组组长斋藤和树教授和耶路撒冷希伯来大学教授奥德·肖西约夫也是该论文的合著者
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