Miếng dán điện tử đa chức năng hỗ trợ phát hiện sớm bệnh hại thực vật, các mối đe dọa khác đối với cây trồng

Các nhà khoa học từ Đại học bang Bắc Carolina đã phát triển một miếng dán điện tử có thể được dán lên lá cây để theo dõi các mầm bệnh khác nhau trên cây trồng, chẳng hạn như nhiễm vi-rút, nấm và các điều kiện bất thuận như hạn hán hoặc nhiễm mặn. Trong quá trình thử nghiệm, các nhà nghiên cứu nhận thấy miếng dán có thể phát hiện nhiễm virus ở cà chua hơn một tuần trước khi người trồng có thể phát hiện ra bất kỳ triệu chứng rõ ràng nào của bệnh. Nguồn: Qingshan Wei, Đại học bang NC.

Qingshan Wei, tác giả của bài báo về công trình và là trợ lý giáo sư về kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử tại NC State cho biết: “Điều này rất quan trọng bởi vì những người trồng thời vụ sớm hơn có thể xác định được các bệnh hoặc nhiễm nấm trên cây trồng, thì họ sẽ có khả năng hạn chế sự lây lan của bệnh và bảo vệ cây trồng của mình tốt hơn. Ngoài ra, có thể xác định các áp lực phi sinh học càng nhanh, chẳng hạn như nước tưới bị ô nhiễm do xâm nhập mặn, càng có khả năng giải quyết các thách thức liên quan và cải thiện năng suất cây trồng”.

Bài báo về "Cảm biến có thể mang với đa phương thức gắn trên bề mặt lá Abaxial đối với việc theo dõi sinh lý thực vật liên tục" được xuất bản ngày 12 tháng 4 trên tạp chí truy cập mở Science Advances.

Công nghệ này được xây dựng trên một bản dán nguyên mẫu trước đó đã phát hiện ra bệnh thực vật bằng cách theo dõi các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (volatile organic compounds,VOC) do thực vật thải ra. Thực vật phát ra các tổ hợp VOC khác nhau trong các trường hợp khác nhau. Bằng cách nhắm mục tiêu các VOC có liên quan đến các bệnh cụ thể hoặc điều kiện bất thuận, các cảm biến có thể cảnh báo người dùng về các vấn đề cụ thể.

Yong Zhu, đồng tác giả của bài báo và Andrew A. Adams, giáo sư Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không Vũ trụ tại Bang NC cho biết: “Các miếng dán mới kết hợp các cảm biến bổ sung, cho phép chúng theo dõi nhiệt độ, độ ẩm môi trường và lượng hơi ẩm được thực vật 'thở ra' qua lá của chúng”.

Bản thân các miếng dán này rất nhỏ, chỉ dài 30mm và bao gồm một vật liệu dẻo có chứa các cảm biến và điện cực dựa trên dây nano bạc. Các miếng dán được đặt ở mặt dưới của lá, nơi có mật độ khí khổng cao hơn, các lỗ chân lông cho phép cây "thở" bằng cách trao đổi khí với môi trường.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm các miếng dán mới trên cây cà chua trong nhà kính và thử nghiệm với các miếng dán kết hợp các tổ hợp cảm biến khác nhau. Các cây cà chua bị nhiễm ba loại mầm bệnh khác nhau: virus héo đốm cà chua (TSWV), bệnh chết nhanh, là một bệnh nhiễm nấm và bệnh chết chậm, là một loại mầm bệnh được gọi là oomycete. Thực vật cũng phải đối mặt với nhiều áp lực phi sinh học, chẳng hạn như ngập nước, điều kiện khô hạn, thiếu ánh sáng và nồng độ muối cao trong nước.

Các nhà nghiên cứu đã lấy dữ liệu từ các thí nghiệm này và đưa chúng vào một chương trình trí tuệ nhân tạo để xác định tổ hợp cảm biến nào hoạt động hiệu quả nhất để xác định cả bệnh tật và căng thẳng phi sinh học.

Wei cho biết: “Kết quả của chúng tôi trong việc phát hiện tất cả những thách thức này rất hứa hẹn. Ví dụ, chúng tôi nhận thấy rằng bằng cách sử dụng kết hợp ba cảm biến trên một miếng dán, chúng tôi có thể phát hiện TSWV bốn ngày sau khi cây bị nhiễm bệnh lần đầu tiên. Đây là một lợi thế đáng kể, vì cà chua thường không bắt đầu biểu hiện bất kỳ triệu chứng thực thể nào của TSWV trong 10-14 ngày”.

Các nhà nghiên cứu cho biết họ chỉ còn hai bước nữa là có một miếng dán mà nông dân có thể sử dụng. Đầu tiên, họ cần làm cho các bản vá không dây, một thử thách tương đối đơn giản. Thứ hai, họ cần thử nghiệm các miếng dán ép trên đồng ruộng, bên ngoài nhà kính, để đảm bảo các miếng dán sẽ hoạt động trong điều kiện thực tế.

Zhu cho biết: "Chúng tôi hiện đang tìm kiếm các đối tác công nghiệp và nông nghiệp để giúp chúng tôi phát triển và thử nghiệm công nghệ này. Đây có thể là một bước tiến đáng kể để giúp nhà nông ngăn chặn các vấn đề nhỏ trở thành vấn đề lớn và giúp giải quyết các thách thức về an ninh lương thực một cách có ý nghĩa”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org