[发明专利]一种检测植物根系和土壤参数的传感器及制备方法

说明书

本发明涉及一种检测植物根系和土壤参数的传感器及制备方法，该传感器包括：微针阵列电极，其用于固定于植物上，并检测植物活性小分子浓度；土壤环境传感电极，其用于位于土壤内，并检测土壤参数；柔性衬底，其一侧固定所述微针阵列电极，另一侧固定所述土壤环境传感电极，并且所述微针阵列电极和土壤环境传感电极呈对角设置；多个信号传导电路，其用于输出检测结果，并且所述信号传导电路包括与所述微针阵列电极连接的第一信号传导电路和与所述土壤环境传感电极连接的第二信号传导电路。本发明可以实现土壤微环境参数和植物根部活性氧水平同步持续监测的目的。

技术领域

本发明属于植物传感器领域，尤其涉及一种检测植物根系和土壤参数的传感器及制备方法。

背景技术

植物根系由于在土壤等介质中，根-土系统隐蔽，与植物地上部分相比，观察监测难度大大增加。例如，针对土壤湿度/含水量的检测，传统的根系土壤水分测量采用水分测量仪，测定需要采样烘干校正等破坏式测定，难以对植物根系环境进行实时检测。又如现有的根系pH测量仪器，以非破坏的方式进行检测，核心传感器件为微电极、电子探针等，而这些传感器件极易受到根际微生物的干扰，而这些微生物一旦在传感器件敏感表面富集，将污染传感元件，导致其失效。同样的，目前植物根系离子实时测量系统，其核心主要为基于直接电化学传感原理的微电极形态的传感器，其具有响应迅速、选择性好、设备简单与易操作、可实时动态检测、可在线活体测量等优点，受到广泛研究。但大部分的研究集中在构建比表面积大的纳米结构、合成新的催化材料或进行线下检测，而忽略了植物根系在土壤环境下受高湿度、根际微生物等因素的影响，因此现有植物根系传感器件进行长期监测的测量精度难以得到保障。综上所述，现有植物根系传感器件难以在复杂的根系土壤环境中实现长期稳定的检测监控。

另一方面，活性氧(ROS)是一类含有氧的化学反应基团，如羟自由基、超氧化物和过氧化物。在植物应答环境压力中，ROS水平通常急剧升高，引起脂质过氧化和其他反应而导致对细胞结构造成相当大的损害。因此ROS水平的升高被认为是植物受胁迫的典型指标。此外，ROS是由特定酶催化产生，如NADPH氧化酶(呼吸突发氧化酶同源物，RBOHs)，并作为信号分子参与植物的生长发育过程(例如，Singh et al.2016)。由不同的生物和非生物刺激所引起的ROS水平变化在植物细胞信号传导中起着重要作用。植物促生根际细菌可以影响抗氧化系统的酶，并减少微生物病原体的感染(例如，Garcia-Cristobal et al.2015)。在时空动力学上，RBOHs产生的ROS在植物免疫中起着至关重要的作用。虽然现有出现了大量基于微纳传感器件的动植物ROS传感器，基于微针阵列电极的ROS传感器因其微创、原位检测、高效透皮等特点，被认为是极具应用潜力的新型植物传感器形态，但是该传感器仍是以单一功能的ROS传感器为主。

总体而言，植物根际土壤微区环境复杂，其中微生物分布密集，并且存在温度、水分、pH、无机离子水平的不断变化，作为复杂的多相系统，其微环境状态会直接影响植物根系对水分、有机质等营养物质的有效摄取、运输等，其与植物的生长发育紧密相关。研究植物根际土壤微区环境状态，对关键性环境因素如湿度、pH等进行准确检测意义重大。而根系土壤环境随植物生长代谢会处于动态变化中，水分、pH等众多方面影响着根际环境，其变化机制较为复杂。例如，在胁迫条件特别是土壤环境特定营养物质的缺乏，极易影响根系物质分泌，引发根际pH波动变化。不仅如此，根系分泌物种类繁多，根系周围富集大量微生物如真菌、细菌、放线菌等。因此，对根系土壤环境生态特征的监控，不仅可即时反馈根系生态特征，也有助于进一步了解植物根系生态学，揭示土壤结构与植物生长的深层互作机制。同时，植物促生根际细菌可以生成影响抗氧化系统的酶，并减少微生物病原体的感染，因此对植物根系活性氧水平的监测能够直接地反映植物受促生根际细菌影响的水平。然而现阶段无论是商用传感器，抑或是实验室报道的植物根部传感技术，均罕有涉及同时测量植物根部内外两种环境下的相关生物参数的传感技术，使得现有的技术无法满足要求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种检测植物根系和土壤参数的传感器及制备方法，可以实现土壤微环境参数和植物根部活性氧水平同步持续监测的目的。