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番茄有沒有病?手機一拍就知道!

http://finance.sina.com   2019年08月08日 17:39   北京新浪網

  來源:科學大院

  北半球正值酷暑,來一顆清涼酸甜的紅番茄最是消暑解渴。不管是生吃、涼拌,還是炒雞蛋、燉牛腩,番茄早已是廣大人民羣衆餐桌上不可缺少的美味。不過就像人一樣,番茄也可能生病,其中晚疫病是最爲嚴重的番茄感染病之一。

感染晚疫病的番茄葉(左)、莖(中)、果(右)感染晚疫病的番茄葉(左)、莖(中)、果(右)

  最近,來自北卡羅來納州立大學的魏青山研究團隊發明了一種可聯合智能手機的金納米傳感器,用於早期檢測感染了晚疫病的番茄,及時控制疫情的發展。

論文截圖論文截圖

  晚疫病:起病快、擴散快

  晚疫病由名爲致病疫黴(Phytophthora infestans)的微生物引起,這種病菌會快速侵染番茄和馬鈴薯植株。感染晚疫病的番茄葉片會從中心區域變得枯黃,甚至變黑,莖變細,一些區域呈黑褐色,患病植株容易折斷倒伏,溼度大時病變部位表面還會生出白色黴斑,番茄果實同樣可能遭受感染,被感染的黑褐色部位逐漸枯萎腐爛。不及時治理的話,番茄會在幾天內死亡。

  除了起病快,在適宜的天氣條件下,致病疫黴還會快速傳播,導致病害流行。因此,晚疫病一般成片發作,會導致約20-40%的產量損失。19世紀時,馬鈴薯是愛爾蘭人的主要口糧,1845年晚疫病的爆發使馬鈴薯絕收,當時還處於英國統治下的愛爾蘭人口銳減四分之一,這也間接激發了愛爾蘭人的民族獨立意識。

  時至今日,雖然晚疫病不太可能造成大範圍的饑荒,但它對番茄和馬鈴薯的危害仍然不能小覷,畢竟你最愛的炸薯條就需要這兩種農作物。

  目前,農民伯伯對付晚疫病的方法主要是觀察和藥物治療。連續的陰雨天氣十分容易造成致病疫黴快速生長,農民伯伯要及時噴灑農藥,做好預防。一旦發現病株,則需要將整塊農田噴藥,並將感染的枝葉果實等帶出田地,及時銷燬。

  但是這種肉眼觀察的方法有明顯的滯後性,當番茄葉片出現明顯感染症狀時,晚疫病可能已發展至中期,而且黴菌很可能已經發生擴散,此時才採取措施,損失大,效果差。

  新技術:看顏色,找病株

  鑑於晚疫病初期症狀不明顯、起病較快、擴散迅速等特點,早發現早治療是對付它的最佳方案,而且能最大程度地減少損失。畢竟一旦番茄生出黴斑,即便抗病成功,口感、賣相也不好了。

  其實,實驗室中不缺乏檢測晚疫病的生化手段,主流方法爲檢測致病疫黴的特徵性核酸物質或免疫分子。

  檢測核酸物質可以用聚合酶鏈式反應(PCR)、環介導等溫擴增、DNA微整列等技術;檢測免疫分子則可用抗體水平流測試(LFA)、酶聯免疫吸附測試(ELISA)等技術。檢測核酸技術的優點是靈敏度高、特異性好,但過程繁瑣,設備體積大,不夠便捷。而免疫檢測技術有多種試劑盒可供選擇,可在現場迅速測試,但有時靈敏度和特異性不夠好。近年來便攜式傳感器發展迅速,但很少有這類微型裝置能夠兼顧高性能、便捷和低成本的特徵。

  那麼,魏青山研究團隊發明的裝置有什麼獨到之處呢?該裝置由智能手機、外置鏡頭、擴散室和揮發性有機化合物(VOC)傳感器三部分組成。其中,VOC傳感器是整個裝置的核心部件,簡單地說,VOC金納米傳感器是利用金納米顆粒與特定種類的氣體有機化合物反應,產生顏色變化,以檢測氣體分子的濃度。

番茄晚疫病早起診斷裝置示意圖。a)、整體裝置示意圖;b)、VOC傳感器、c)、傳感器內部構造圖;d)e)傳感器正面和背面(圖片來源:Nature Plants)番茄晚疫病早起診斷裝置示意圖。a)、整體裝置示意圖;b)、VOC傳感器、c)、傳感器內部構造圖;d)e)傳感器正面和背面(圖片來源:Nature Plants)

  金納米顆粒,也稱納米金,就是直徑在1-100 nm間的單質金顆粒。在一片火熱的納米材料界,金納米顆粒可謂元老級“人物”,早在16世紀的歐洲就有醫師嘗試用它治療精神類疾病。金納米顆粒有諸多優點,應用前景廣闊。它製備方法簡單,用抗壞血酸、硼氫化鈉等常見還原劑還原氯金酸即可製得。金納米顆粒的毒性很低,生物相容性非常好,這是它相對於其他納米材料的一大優勢。金納米顆粒表明電荷密度高,能夠有效吸附蛋白質,由此誕生了影響十分廣泛的納米金標記技術。例如,納米金顆粒能夠與抗沙門氏菌抗血清結合,由此檢測細菌數量。除了在分析化學方面的應用,納米金的醫藥、催化等領域的研究也時有報道。

  具體到這項研究中,得了晚疫病的番茄會產生一種特異性氣體——(E)-2-己烯醛,而金納米顆粒能夠與該氣體發生顯色反應,於是,我們便可通過反應結果來判斷番茄是否患病。那麼,爲什麼金納米顆粒能夠對(E)-2-己烯醛發生顯色反應呢?

  研究人員首先製備了一系列不同尺寸的金納米顆粒,由於尺寸不同,它們的最大吸收波長也不一樣,直觀地看來,就是溶液(其實是膠體)顏色不一樣。我們知道,膠體其實是不穩定的,它們受靜電力的驅使,有聚集的傾向。但這些金納米顆粒表面覆蓋着半胱氨酸,這種物質充當了金納米顆粒間的“隔離帶”,阻止它們聚集。但半胱氨酸的硫原子上有反應活性較高的孤對電子,能夠特異性地與(E)-2-己烯醛這種α, β不飽和醛發生邁克爾加成反應,脫去一個七元環物質。一旦脫去半胱氨酸這層外衣,金納米顆粒就會發生聚集。很顯然,(E)-2-己烯醛濃度越高,聚集在一塊的金納米顆粒就越多,顏色變化也就越明顯。根據實驗結果,這種VOC金納米傳感器對(E)-2-己烯醛的檢測下限爲0.4 ppm,比氣體色譜-質譜聯用儀(GC-MS)更爲靈敏。

VOC金納米傳感器的工作原理。最大吸收波長535nm的金納米顆粒對(E)-2-乙烯醛最爲敏感,0.25 ppm的氣體便能產生光譜變化。(圖片來源:Nature Plants)VOC金納米傳感器的工作原理。最大吸收波長535nm的金納米顆粒對(E)-2-乙烯醛最爲敏感,0.25 ppm的氣體便能產生光譜變化。(圖片來源:Nature Plants)

  眼尖的小夥伴可能早已發現,最大吸收波長爲535nm的金納米顆粒最敏感,那爲什麼還要設置不同吸收波長的整列呢?這主要是爲了提高傳感器的特異性。番茄會產生的氣體有機分子可不止(E)-2-乙烯醛,還有(Z)-3-乙烯醛、1-己醛、E-2-己烯醇等十種物質。不同吸收波長的金納米顆粒陣列,能夠更加明顯地區分開不同的氣體分子。

金納米傳感器明顯比PH傳感器、有機染料等方法更爲靈敏,且能區分開多種植物產生的氣體有機分子。(圖片來源:Nature Plants)金納米傳感器明顯比PH傳感器、有機染料等方法更爲靈敏,且能區分開多種植物產生的氣體有機分子。(圖片來源:Nature Plants)

  傳感器:不管病株藏多深,都能被我發現

  以上都是實驗室中對傳感器的性能驗證和優化,但俗話說“別看廣告,看療效”,VOC金納米傳感器實戰效果如何呢?

  通過一個簡易的氣體收集裝置,研究人員檢測了健康番茄葉和不同感染時間的番茄葉的(E)-2-乙烯醛水平。結果表明,隨着感染時間變長,番茄葉產生的(E)-2-乙烯醛明顯增多。分析VOC金納米傳感器的檢測數據,我們能夠很容易地將感染第二天的番茄葉與健康或感染第一天的番茄葉區分開。也就是說,利用這種傳感器,農民伯伯能夠在感染髮生的第二天就發現致病菌,此時的葉片外觀看起來很可能還是正常的,這也真正做到“早發現、早治療”。

智能手機VOC傳感器檢測致病疫黴感染番茄葉的實戰結果。(圖片來源:Nature Plants)智能手機VOC傳感器檢測致病疫黴感染番茄葉的實戰結果。(圖片來源:Nature Plants)

  通過與PCR技術對比的盲測,智能手機VOC傳感器檢測病疫黴感染的準確率高達95%以上,足見其可靠性和靈敏性。

 PCR技術和VOC傳感器分別對40份實驗室樣本和田間樣本盲測的結果對比表(圖片來源:Nature Plants) PCR技術和VOC傳感器分別對40份實驗室樣本和田間樣本盲測的結果對比表(圖片來源:Nature Plants)

  未來能及時診斷的,也許不止番茄晚疫病

  除了性能優越,這種基於智能手機的傳感器使用起來也很簡單。帶有攝像功能的智能手機即便在欠發達的農業地區也很普及,僅需將體積小巧的外置鏡頭和傳感器與手機組合,樣本收集20分鐘以上便能開始檢測,通過手機APP(正在開發)進行簡單的光譜學分析就能給出結果。整套裝置的成本也較低,不需要任何昂貴的耗材或儀器,3節乾電池便可以驅動。未來,這種傳感器也可以大規模安裝在田間,實現遠程實時監控。

  除了直接的經濟效益,晚疫病的及早診斷也能夠減少農藥噴灑的面積和用量,其間接促成的經濟效益和環境效益也非常可觀。

  此外,這套裝置的可拓展性很強。根據研究人員的實驗結果,VOC金納米陣列對番茄斑枯病(Septoria lycopersici感染)和早疫病(Alternaria solani感染)也有特異性的檢測結果。它們和晚疫病的症狀比較相似,VOC金納米傳感器能夠幫助農民伯伯更準確地區分開三種疾病。

OC金納米傳感器能區分開症狀相似的三種常見番茄感染病。(圖片來源:Nature Plants)OC金納米傳感器能區分開症狀相似的三種常見番茄感染病。(圖片來源:Nature Plants)

  由此我們還可以推測,VOC金納米傳感器的疾病譜或許更加寬廣,甚至不限於番茄感染病的檢測。改變金納米顆粒的初始吸收波長(與尺寸、形狀有關)或許也能增加可檢測的疾病譜。

(圖片來源:veer圖庫)(圖片來源:veer圖庫)

  爲了還能吃上便宜又美味的炸薯條和番茄醬,希望這項新技術能夠早日推廣,將晚疫病扼殺在搖籃中。

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