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2019年08月09日 08:50:43
来源:科学大院

北半球正值酷暑,来一颗清凉酸甜的红番茄最是消暑解渴。不管是生吃、凉拌,还是炒鸡蛋、炖牛腩,番茄早已是广大人民群众餐桌上不可缺少的美味。不过就像人一样,番茄也可能生病,其中晚疫病是最为严重的番茄感染病之一。

感染晚疫病的番茄叶(左)、茎(中)、果(右)

感染晚疫病的番茄叶(左)、茎(中)、果(右)

最近,来自北卡罗来纳州立大学的魏青山研究团队发明了一种可联合智能手机的金纳米传感器,用于早期检测感染了晚疫病的番茄,及时控制疫情的发展。

论文截图

论文截图

晚疫病:起病快、扩散快

晚疫病由名为致病疫霉(Phytophthora infestans)的微生物引起,这种病菌会快速侵染番茄和马铃薯植株。感染晚疫病的番茄叶片会从中心区域变得枯黄,甚至变黑,茎变细,一些区域呈黑褐色,患病植株容易折断倒伏,湿度大时病变部位表面还会生出白色霉斑,番茄果实同样可能遭受感染,被感染的黑褐色部位逐渐枯萎腐烂。不及时治理的话,番茄会在几天内死亡。

除了起病快,在适宜的天气条件下,致病疫霉还会快速传播,导致病害流行。因此,晚疫病一般成片发作,会导致约20-40%的产量损失。19世纪时,马铃薯是爱尔兰人的主要口粮,1845年晚疫病的爆发使马铃薯绝收,当时还处于英国统治下的爱尔兰人口锐减四分之一,这也间接激发了爱尔兰人的民族独立意识。

时至今日,虽然晚疫病不太可能造成大范围的饥荒,但它对番茄和马铃薯的危害仍然不能小觑,毕竟你最爱的炸薯条就需要这两种农作物。

目前,农民伯伯对付晚疫病的方法主要是观察和药物治疗。连续的阴雨天气十分容易造成致病疫霉快速生长,农民伯伯要及时喷洒农药,做好预防。一旦发现病株,则需要将整块农田喷药,并将感染的枝叶果实等带出田地,及时销毁。

但是这种肉眼观察的方法有明显的滞后性,当番茄叶片出现明显感染症状时,晚疫病可能已发展至中期,而且霉菌很可能已经发生扩散,此时才采取措施,损失大,效果差。

新技术:看颜色,找病株

鉴于晚疫病初期症状不明显、起病较快、扩散迅速等特点,早发现早治疗是对付它的最佳方案,而且能最大程度地减少损失。毕竟一旦番茄生出霉斑,即便抗病成功,口感、卖相也不好了。

其实,实验室中不缺乏检测晚疫病的生化手段,主流方法为检测致病疫霉的特征性核酸物质或免疫分子。

检测核酸物质可以用聚合酶链式反应(PCR)、环介导等温扩增、DNA微整列等技术;检测免疫分子则可用抗体水平流测试(LFA)、酶联免疫吸附测试(ELISA)等技术。检测核酸技术的优点是灵敏度高、特异性好,但过程繁琐,设备体积大,不够便捷。而免疫检测技术有多种试剂盒可供选择,可在现场迅速测试,但有时灵敏度和特异性不够好。近年来便携式传感器发展迅速,但很少有这类微型装置能够兼顾高性能、便捷和低成本的特征。

那么,魏青山研究团队发明的装置有什么独到之处呢?该装置由智能手机、外置镜头、扩散室和挥发性有机化合物(VOC)传感器三部分组成。其中,VOC传感器是整个装置的核心部件,简单地说,VOC金纳米传感器是利用金纳米颗粒与特定种类的气体有机化合物反应,产生颜色变化,以检测气体分子的浓度。

番茄晚疫病早起诊断装置示意图。a)、整体装置示意图;b)、VOC传感器、c)、传感器内部构造图;d)e)传感器正面和背面(图片来源:Nature Plants)

番茄晚疫病早起诊断装置示意图。a)、整体装置示意图;b)、VOC传感器、c)、传感器内部构造图;d)e)传感器正面和背面(图片来源:Nature Plants)

金纳米颗粒,也称纳米金,就是直径在1-100 nm间的单质金颗粒。在一片火热的纳米材料界,金纳米颗粒可谓元老级“人物”,早在16世纪的欧洲就有医师尝试用它治疗精神类疾病。金纳米颗粒有诸多优点,应用前景广阔。它制备方法简单,用抗坏血酸、硼氢化钠等常见还原剂还原氯金酸即可制得。金纳米颗粒的毒性很低,生物相容性非常好,这是它相对于其他纳米材料的一大优势。金纳米颗粒表明电荷密度高,能够有效吸附蛋白质,由此诞生了影响十分广泛的纳米金标记技术。例如,纳米金颗粒能够与抗沙门氏菌抗血清结合,由此检测细菌数量。除了在分析化学方面的应用,纳米金的医药、催化等领域的研究也时有报道。

具体到这项研究中,得了晚疫病的番茄会产生一种特异性气体——(E)-2-己烯醛,而金纳米颗粒能够与该气体发生显色反应,于是,我们便可通过反应结果来判断番茄是否患病。那么,为什么金纳米颗粒能够对(E)-2-己烯醛发生显色反应呢?

研究人员首先制备了一系列不同尺寸的金纳米颗粒,由于尺寸不同,它们的最大吸收波长也不一样,直观地看来,就是溶液(其实是胶体)颜色不一样。我们知道,胶体其实是不稳定的,它们受静电力的驱使,有聚集的倾向。但这些金纳米颗粒表面覆盖着半胱氨酸,这种物质充当了金纳米颗粒间的“隔离带”,阻止它们聚集。但半胱氨酸的硫原子上有反应活性较高的孤对电子,能够特异性地与(E)-2-己烯醛这种α, β不饱和醛发生迈克尔加成反应,脱去一个七元环物质。一旦脱去半胱氨酸这层外衣,金纳米颗粒就会发生聚集。很显然,(E)-2-己烯醛浓度越高,聚集在一块的金纳米颗粒就越多,颜色变化也就越明显。根据实验结果,这种VOC金纳米传感器对(E)-2-己烯醛的检测下限为0.4 ppm,比气体色谱-质谱联用仪(GC-MS)更为灵敏。

VOC金纳米传感器的工作原理。最大吸收波长535nm的金纳米颗粒对(E)-2-乙烯醛最为敏感,0.25 ppm的气体便能产生光谱变化。(图片来源:Nature Plants)

VOC金纳米传感器的工作原理。最大吸收波长535nm的金纳米颗粒对(E)-2-乙烯醛最为敏感,0.25 ppm的气体便能产生光谱变化。(图片来源:Nature Plants)

眼尖的小伙伴可能早已发现,最大吸收波长为535nm的金纳米颗粒最敏感,那为什么还要设置不同吸收波长的整列呢?这主要是为了提高传感器的特异性。番茄会产生的气体有机分子可不止(E)-2-乙烯醛,还有(Z)-3-乙烯醛、1-己醛、E-2-己烯醇等十种物质。不同吸收波长的金纳米颗粒阵列,能够更加明显地区分开不同的气体分子。

金纳米传感器明显比PH传感器、有机染料等方法更为灵敏,且能区分开多种植物产生的气体有机分子。(图片来源:Nature Plants)

金纳米传感器明显比PH传感器、有机染料等方法更为灵敏,且能区分开多种植物产生的气体有机分子。(图片来源:Nature Plants)

传感器:不管病株藏多深,都能被我发现

以上都是实验室中对传感器的性能验证和优化,但俗话说“别看广告,看疗效”,VOC金纳米传感器实战效果如何呢?

通过一个简易的气体收集装置,研究人员检测了健康番茄叶和不同感染时间的番茄叶的(E)-2-乙烯醛水平。结果表明,随着感染时间变长,番茄叶产生的(E)-2-乙烯醛明显增多。分析VOC金纳米传感器的检测数据,我们能够很容易地将感染第二天的番茄叶与健康或感染第一天的番茄叶区分开。也就是说,利用这种传感器,农民伯伯能够在感染发生的第二天就发现致病菌,此时的叶片外观看起来很可能还是正常的,这也真正做到“早发现、早治疗”。

智能手机VOC传感器检测致病疫霉感染番茄叶的实战结果。(图片来源:Nature Plants)

智能手机VOC传感器检测致病疫霉感染番茄叶的实战结果。(图片来源:Nature Plants)

通过与PCR技术对比的盲测,智能手机VOC传感器检测病疫霉感染的准确率高达95%以上,足见其可靠性和灵敏性。

 PCR技术和VOC传感器分别对40份实验室样本和田间样本盲测的结果对比表(图片来源:Nature Plants)

PCR技术和VOC传感器分别对40份实验室样本和田间样本盲测的结果对比表(图片来源:Nature Plants)

未来能及时诊断的,也许不止番茄晚疫病

除了性能优越,这种基于智能手机的传感器使用起来也很简单。带有摄像功能的智能手机即便在欠发达的农业地区也很普及,仅需将体积小巧的外置镜头和传感器与手机组合,样本收集20分钟以上便能开始检测,通过手机APP(正在开发)进行简单的光谱学分析就能给出结果。整套装置的成本也较低,不需要任何昂贵的耗材或仪器,3节干电池便可以驱动。未来,这种传感器也可以大规模安装在田间,实现远程实时监控。

除了直接的经济效益,晚疫病的及早诊断也能够减少农药喷洒的面积和用量,其间接促成的经济效益和环境效益也非常可观。

此外,这套装置的可拓展性很强。根据研究人员的实验结果,VOC金纳米阵列对番茄斑枯病(Septoria lycopersici感染)和早疫病(Alternaria solani感染)也有特异性的检测结果。它们和晚疫病的症状比较相似,VOC金纳米传感器能够帮助农民伯伯更准确地区分开三种疾病。

OC金纳米传感器能区分开症状相似的三种常见番茄感染病。(图片来源:Nature Plants)

OC金纳米传感器能区分开症状相似的三种常见番茄感染病。(图片来源:Nature Plants)

由此我们还可以推测,VOC金纳米传感器的疾病谱或许更加宽广,甚至不限于番茄感染病的检测。改变金纳米颗粒的初始吸收波长(与尺寸、形状有关)或许也能增加可检测的疾病谱。

(图片来源:veer图库)

(图片来源:veer图库)

为了还能吃上便宜又美味的炸薯条和番茄酱,希望这项新技术能够早日推广,将晚疫病扼杀在摇篮中。

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