對農作物的生長發育和環境響應表型進行精準、動態、持續監測和描繪，是生命計量的重要研究方向，對于通過智慧調控手段提升作物產量與品質至關重要。隨著植物表型組學和柔性電子學的交叉融合，近年來涌現了多種基于不同原理的可穿戴式植物傳感器。然而，當前此類產品基本處于實驗室階段，在農業領域的應用面臨多重挑戰：一是現有傳感器常難以同時實現高靈敏度和寬檢測范圍；二是其在風雨、日曬、溫度波動等自然條件下的穩定性不足，長期穩定工作能力欠缺；三是因通用性受限或成本高、操作復雜，難以支持大規模田間應用；最后，也是尤為重要的一點，現有傳感器系統的設計往往追求于數據分辨率，而缺乏將測量數據轉化為有意義的植物生理、生長發育及環境響應信息的能力，在揭示復雜性狀的生物學機制及指導農業生產實踐中的作用有限。
近日，我校生命科學學院徐沛研究員團隊在Cell 出版社旗下Plant Communications雜志（生物學一區TOP期刊，IF 9.4）發表了題為“PlantRing: A high-throughput wearable sensor system for decoding plant growth, water relations and innovating irrigation”的研究論文，在植物表型計量領域取得重要進展。團隊通過與清華大學等合作，研發了高通量、低成本植物穿戴式傳感器系統—PlantRing（植物手環），將植物莖、果實等器官直徑動態微變化與植物生理功能（水分分配、晝夜節律、氣孔行為等）深度關聯，并引導反饋灌溉，實現了從基于環境信息向基于植物本體信息的范式轉變。PlantRing作為精密科學儀器和智慧農業實用工具的雙重功能已在真實生產環境下得到驗證，并實現商業化制造，突破了植物穿戴式傳感器大規模應用的瓶頸。
Plantring系統由傳感單元、防水無線通信單元和云服務器終端組成（圖1）。傳感器環繞監測的植物器官，并將植物器官直徑微變化產生的應力變化轉變為電信號。柔性傳感器的長度可根據所需監測的植物器官定制。防水無線通信單元將傳感數據被傳輸到云服務器上，用于遠程監控、管理和存儲，可通過電腦和智能手機訪問。PlantRing傳感單元基于應力超敏感的蠶絲基納米材料開發，結合便攜式電學檢測裝置實現植物莖、果實等器官直徑變化的實時監測，不僅可以高精度地分辨 < 10微米級的變化，還可實現三個月以上的長時間續航。論文通過一系列實例展示了Plantring系統的強大功能，包括基于莖直徑的植物生理狀態監測、果實裂果性狀量化表征及耐裂果種質早期篩選、研究生物鐘基因功能、用于虧缺灌溉，同步實現節水和提質等（圖2）。
生命科學學院原講師孫挺和副教授呂晨澤并列為該論文第一作者，徐沛研究員為論文通訊作者。清華大學化學系張瑩瑩教授，原博士后畢鵬、博士生鄒梅，河南大學徐小冬和謝啟光教授，淮安市農科院程瑞、許文釗以及青島農業大學王華森教授等為本研究做出重要貢獻。浙江農林大學崔霞研究員提供了部分植物材料。該研究獲得了浙江省農業新品種選育重大專項（梨 2021C02066–5，茶葉 2021C02067-7-3）的資助。
徐沛研究員領銜的“農業植物表型計量”高原學科團隊主要從事園藝作物,尤其是豆類蔬菜的多組學研究。團隊組建5年多來，先后獲得國家重點研發計劃政府間重點專項、國家自然科學基金聯合基金重點項目、國家農業重大人才工程、浙江省重點研發計劃等重點重大項目資助。圍繞計量科技在生物學和農業中的應用，研發了具有自主知識產權的新型高通量植物穿戴式傳感器系統、高通量表型—基因型聯合解析系列新方法等。在植物表型計量、水分調節的生理和分子機制、菜豆過敏源蛋白消減等研究方面取得了一系列成果，相關論文已發表在The Plant Cell、Plant Communications、Plant Journal 等國際一流雜志，獲得美國發明專利、中國國家發明專利授權等10余件。2024年牽頭獲批“浙江—以色列農業植物表型計量與裝備創新國際聯合實驗室”。
