طور باحثون من جامعة نورث كارولينا (North Carolina State University) ملصقًا يمكن وضعه على النباتات لإتاحة الرصد المستمر للأمراض أو أنواع الإجهاد الأخرى التي تُصيبها، مثل تلف المحاصيل أو الحرارة الشديدة.

ملصق الاستشعار مقابل التقنيات القديمة:

يقول كينجشان وي (Qingshan Wei) -مؤلف مشارك في هذه الورقة البحثية ويعمل أستاذًا مساعدًا للهندسة الكيميائية والهندسة الجزيئية الحيوية في جامعة نورث كارولينا-:

لقد صممنا جهاز استشعار يمكن ارتداؤه بحيث يراقب إجهاد النبات وأمراضه بطريقة غير جراحية، عن طريق قياس المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) المنبعثة من النباتات.

تتضمن الطرق المستخدمة حاليًا لاختبار تعرض النبات للمرض أو الإجهاد أخذ عينات من الأنسجة النباتية وإجراء فحص في المختبر. ومع ذلك، يمنح هذا المزارعين مقياسًا واحدًا فقط، كما أن هناك فجوة زمنية بين الوقت الذي يأخذ فيه المزارعون العينة ووقت حصولهم على نتائج الاختبار.

فكرة عمل ملصق الاستشعار:

تنبعث من النباتات -في ظل ظروف مختلفة- مجموعات مختلفة من المركبات العضوية المتطايرة، ومن خلال استهداف تلك المركبات العضوية المتطايرة ذات الصلة بالإجهاد النباتي أو بأمراض معينة، يمكن لأجهزة الاستشعار تنبيه المستخدمين عند حدوث مشكلات معينة.

يقول وي:

تراقب تقنيتنا بشكل مستمر انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة من النبات، دون الإضرار بالنبات.

ويضيف:

يخزن النموذج الأولي الذي قدمناه بيانات الرصد هذه، لكن الإصدارات المستقبلية ستنقل البيانات لاسلكيًا. ما طورناه يسمح للمزارعين بتحديد المشاكل في هذا المجال، ولن يضطروا إلى الانتظار لتلقي نتائج الاختبار من المختبر.

يبلغ طول الملصقات المستطيلة 30 ملم، وتتكون من مادة مرنة تحتوي على مستشعِرات قائمة على الجرافين وأسلاك نانوية فضية مرنة. يتم تغليف المستشعرات بمركبات كيميائية (Chemical Ligands) مختلفة تستجيب لوجود مركبات عضوية متطايرة معينة، مما يسمح للنظام باكتشاف وقياس المركّبات العضوية المتطايرة الموجودة في الغازات المنبعثة من أوراق النبات.

اختبار التقنية الجديدة:

اختبر الباحثون نموذجًا أوليًا للجهاز على نبات الطماطم. تم إعداد النموذج الأولي لرصد نوعين من الإجهاد: التلف المادي للنبات والعدوى بواسطة فطر فيتوفثورا إنفستنس (P. Infestans) وهو العامل الممرض الذي يسبب مرض اللفحة المتأخرة (Late Blight) في الطماطم. اكتشف النظام التغيرات في المركبات العضوية المتطايرة المرتبطة بالتلف المادي في غضون من ساعة واحدة إلى ثلاث ساعات، حسب مدى قرب الضرر من مكان الملصق. استغرق الكشف عن وجود فطر فيتوفثورا إنفستنس وقتًا أطول، حيث لم تلتقط التقنية التغيرات في انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة إلا بعد ثلاثة إلى أربعة أيام من تلقيح الباحثين لنبات الطماطم.

يقول وي:

هذا ليس أسرع كثيرًا من ظهور الأعراض المرئية لمرض اللفحة المتأخرة، ومع ذلك، فإن استخدام نظام المراقبة يعني أن المزارعين غير مضطرين إلى الاعتماد على رصد الأعراض المرئية الصغيرة. إن المراقبة المتواصلة ستسمح للمزارعين بتحديد أمراض النبات في أسرع وقت ممكن، مما يساعدهم على الحدّ من انتشار الأمراض.

مميزات ملصق الاستشعار:

يقول يونغ تشو (Yong Zhu) -مؤلف مشارك في الورقة البحثية وحاصل على أستاذية أندرو أ. آدامز (Andrew A. Adams) المتميزة في الهندسة الميكانيكية والفضائية من جامعة نورث كارولينا-:

يمكن أن ترصد نماذجنا الأولية بالفعل 13 مركبًّا مختلفًا من المركبات العضوية المتطايرة بدقة عالية، مما يسمح للمستخدمين بتطوير نظام استشعار مصمم خصيصًا للتركيز على الإجهادات والأمراض التي يعتقد المزارع أنها الأكثر أهمية.

يقول تشو:

من المهم أيضًا الإشارة إلى أن تكلفة المواد منخفضة نسبيًا. فإذا تم توسيع نطاق التصنيع، نعتقد أن هذه التكنولوجيا ستكون في متناول اليد. نحن نحاول تطوير حل عملي لمشكلة واقعية، ونعلم أن التكلفة هي أهم عنصر ينبغي وضعه في الاعتبار.

يعمل الباحثون حاليًا على تطوير ملصق من الجيل التالي يمكنه رصد درجة الحرارة، والرطوبة، والمتغيرات البيئية الأخرى، بالإضافة إلى المركبات العضوية المتطايرة. تعمل النماذج الأولية بالبطارية وتخزن البيانات في الموقع، لكن يخطط الباحثون لإصدارات مستقبلية تعمل بالطاقة الشمسية وقادرة على نقل البيانات لاسلكيًا.

تم نشر الورقة البحثية تحت عنوان: الرصد الفوري لإجهادات النبات من خلال تحليل المواد المتطايرة من ورقة النبات باستخدام المقاومة الكيميائية بواسطة جهاز استشعار قابل للارتداء (Real-time monitoring of plant stresses via chemiresistive profiling of leaf volatiles by a wearable sensor) في مجلة ماتر (Matter). المؤلفون الأوائل المشاركون في الورقة البحثية هم: تشنغ لي (Zheng Li): باحث ما بعد الدكتوراة سابق في جامعة نورث كارولينا، وهو الآن أستاذ مساعد في جامعة شنتشن (Shenzhen University)،

ويوشوان لي (Yuxuan Li): طالب دكتوراة في جامعة نورث كارولينا. كما شارك في تأليف الورقة كل من جين ريستاينو (Jean Ristaino): الحاصلة على أستاذية ويليام نيل رينولدز (William Neal Reynolds) المتميزة في علم أمراض النبات من جامعة نورث كارولينا، وأويندريلا حسين (Oindrila Hossain) وراجيش بول (Rajesh Paul) وشوانج وو (Shuang Wu): طلاب الدكتوراة في جامعة نورث كارولينا، وشانشان ياو (Shanshan Yao): باحث ما بعد الدكتوراة سابق في جامعة نورث كارولينا، وهو الآن أستاذ مساعد في جامعة ستوني بروك (Stony Brook University).^[1]