О том, насколько важен мониторинг состояния растений, знают все. Но сам процесс такого анализа требует специальных знаний, оборудования и финансов. Однако, уже в ближайшем будущем сельхозпроизводители смогут получать информацию о стрессе культур прямо на свой смартфон. Инженеры Массачусетского технологического института (МIТ) нашли способ отслеживать реакцию растения на внешние раздражения, используя датчики из углеродных нанотрубок.

В Массачусетском институте разработали способ отслеживания процессов реакций растения на стрессы - травмы, инфекции и повреждения от света. Это стало возможным благодаря датчикам, изготовленным из углеродных нанотрубок. Они могут быть встроены в листья растений, откуда и сообщают о происходящем, используя сигнальные волны перекиси водорода.

Датчики различают виды стресса

Известно, что растения используют перекись водорода для передачи сигналов внутри своих листьев. Растения умеют передавать сигналы бедствия, которые стимулируют клетки листьев восстанавливать повреждения, а в некоторых случаях и защищать растение от нападения вредных насекомых. Внедренные в листья растений датчики используют такие сигналы перекиси водорода для определения типа и характера стресса.

Иными словами, ученые впервые получили возможность наблюдать столь сложную форму внутренней коммуникации растений и выяснили, что мы можем в режиме реального времени наблюдать реакцию живого растительного организма, регистрируя специфический тип стресса, который оно испытывает.

Датчика такого типа можно использовать для изучения ответной реакции растения на различные виды стресса. Понимание этого процесса открывает перед учеными и сельхозпроизводителями новые перспективы. Например, дает возможность разработать новые стратегии для повышения урожайности. Результаты первых опытов над восемью различными видами растений подтвердили эти возможности. Ученые полагают, что исследования следует продолжить со многими другими видами культур.

Понять язык растений

Исследователи провели эксперименты с растениями клубники, шпината, рукколы, салата, кресса водяного и щавеля. Оказалось, что каждое из них производит волны разной конфигурации. Похоже, что каждый вид растений по-разному реагирует на различные виды стресса, включая механические повреждения, инфекции и повреждения в результате воздействия тепла или света.

Каждая форма волны содержит много информации. Расшифровав эту информацию, можно понять, что растение «говорит» о своем состоянии. Очевидно, выявлена возможность в реальном времени наблюдать характерную реакцию растения, которую оно испытывает, на любое воздействие изменяющейся внешней среды.

Заслугой инженеров-химиков из Массачусетского технологического института можно считать разработку датчика. Это наноустройство, встроенное в листья растений, способно измерять уровни выделения перекиси водорода, что в переводе с «языка растений» и есть сообщение о стрессе и его характере. Соответствующий сигнал от такого датчика легко можно отправить на ближайший смартфон. Изображения в инфракрасной области спектра, создаваемые датчиками, могут быть отображены с помощью небольшой инфракрасной камеры, подключенной к Raspberry Pi, - компьютеру размером с кредитную карту. Примерно такое же устройство находится внутри многих смартфонов.

Предлагаемая технология обеспечивает проверку растений на их способность противостоять механическим повреждениям, световым, тепловым и другим формам стресса. Она также может применяться для изучения того, как различные виды культур реагируют на патогенные микроорганизмы, например, бактерии, вызывающие позеленение цитрусовых, и грибки, вызывающие кофейную ржавчину.

Для городских фермеров

Сотрудники исследовательской группы «Прорывные и устойчивые технологии для точного земледелия» исследовательского центра MIT в Сингапуре, в свою очередь, заняты изучением того, как растения реагируют на различные условия выращивания в городской среде.

Одной из проблем, которые они надеются решить, является предотвращение затенения, которое испытывают многих виды растений. Которые растут в условиях высокой плотности и размещении в городах. Такие растения испытывают стрессовую нагрузку, которая избыточно направляет их ресурсы на рост, одновременно угнетая их способность к плодообразованию.

Экспериментаторы уже сообщали, что чувствительные датчики позволяют перехватывать сигналы растений о стрессе и точно понимать условия и механизм, которые происходят в организме растений. Получив такой сигнал, фермер успевает вовремя принять решение, снизить уровень затенения, увеличив тем самым урожайность своих культур.

Нужен комплексный мониторинг

Среди российских специалистов в области сельского хозяйства подобные технологии известны и оцениваются как перспективные. На практике фитомониторинг пока развит недостаточно. Система контроля за развитием сельхозкультур в России обычно состоит из климатических, почвенных сенсоров и датчиков для самих растений. Климатические сенсоры собирают информацию по уровню влажности, температуре воздуха, освещения, скорости ветра, испарения и другим параметрам. Почвенные сенсоры (тензиометры) измеряют потенциал пашни, засоленность и другие параметры. Сенсоры растений (датчики стеблей, стволов и плодов) следят за развитием самого растения.

Широкое распространение комплексного мониторинга сдерживает привычный для российских сельхозпроизводителей нехватка финансов, а также знаний и умений в практическом применении устройств. Тем не менее, по мнению экспертов, в ближайшем будущем фитомониторинг станет привычным процессом развитого сельского хозяйства и изменит подход аграриев к своей работе.

Первые шаги по внедрению инновационных технологий фитомониторинга, вероятно, будут сделаны в крупных агрохолдингах, а также ФГБУ «Россельхозцентр», филиалы которого проводят масштабный фитомониторинг российских полей. Так, в филиале по Республике Татарстан уже создана информационная система «Фитосанитарный мониторинг», с помощью которой можно получить информацию об обнаруженных вредных объектах в цифровом виде с указанием геолокационных параметров. Система позволяет в оперативном режиме оповещать аграриев о фактах выявления вредителей, болезней и сорняков для своевременного проведения защитных мероприятий.

Владимир Францкевич

При подготовке статьи использована информация futurefarming, Минсельхоза РТ