研究背景
植物是维持生物多样性和全球粮食供应的基石，然而极端环境变化和生物胁迫正威胁着全球70%—80%的植物物种。植物内源激素是调控生理过程以响应环境胁迫的关键信使，理解激素的变化是掌握植物生存策略的核心。连续监测这些激素能够揭示最早的生化胁迫响应，并为不同的胁迫因子（如病原感染、盐胁迫和辐射暴露）生成独特的“激素指纹”，从而为作物抗逆性提升和生态系统保护制定针对性策略。
然而，目前仍无法实现对生长中植物激素的连续监测。色谱分析需要破坏组织，如剪取并研磨叶片，无法实现连续监测。基于表面的可穿戴传感器无法获取内部激素信号。电化学探针则因植物组织在刚性传感器周围扩张时产生应力集中，造成机械损伤，从而改变局部激素水平，导致测量无效。其根本挑战在于植物的生长模式。当细胞从分裂期进入最大伸长期时，植物会发生不可逆的永久性伸长，长度可达原来的3至10倍。因此，必须开发一种与植物生长模式相匹配的传感器。
成果简介
近日，南京大学张晔课题组开发设计了一种可“生长”的纤维传感器，能够跟随植物组织同步伸长，实现植物激素的连续实时监测。该传感器以液态金属贯穿的动态共价交联聚合物网络（金属凝胶）为电极，在仅3.2 kPa拉伸应力下即可发生高达1000%的不可逆塑性伸长，应力值比现有导电体系至少低两个数量级，从而与生长的植物组织同步变形并有效工作。具体而言，该传感器能发生大尺度不可逆变形以匹配植物伸长，无弹性回复或断裂。其次，其在极小的拉伸应力下伸长，避免组织损伤和人为激素波动。第三，生长过程中电阻保持稳定，确保传感信号仅反映化学变化。利用该传感器，团队成功捕捉了植物在病原感染、盐胁迫乃至极端紫外辐射下激素动态和信号通路变化，为植物抗逆机制提供了定量见解。
图1：伴随植物生长的纤维传感器设计示意图
该金属凝胶电极在拉伸过程中，动态硼酸酯键优先断裂重组，促使聚合物链发生永久性滑移，同时液态金属颗粒逐步融合形成连续导电通路，而氢键作为稳定锚点维持结构完整性。这一协同机制赋予了传感器前所未有的力学行为：在仅3.2 kPa的拉伸应力下即可实现高达1100%的塑性应变，卸力后几乎无弹性回复（滞后达93%~99.5%），最大应力比现有金属基、碳基体系低5个数量级，比导电聚合物基和复合体系低至少2个数量级。更重要的是，在1000%大变形下，其相对电阻变化仅为4%，远低于泊肃叶定律预测值，这得益于液态金属随形变动态重构导电网络，有效补偿了几何尺寸增加带来的电阻上升。
图2：纤维传感器的结构与性能
凭借这一“生长”能力，传感器植入本氏烟草叶脉后，能够随叶片同步伸长，不产生应力集中，也不引发组织褐变、细胞死亡或干扰性激素的异常积累。在模拟风雨等动态环境中，传感器信号波动低于4.6%，而传统金属探针因界面失配导致信号衰减90%。在不同拉伸速率（0.01~10 mm/min）和应变幅度（100%~1000%）下，传感器的分析信号波动均小于5.8%，展现了对植物生长发育各阶段的广泛适应性。在长达30天的植入期内，传感器读数与液相色谱-质谱法的线性拟合决定系数（R²）始终高于0.96，证明了长期监测的准确性。
图3：纤维传感器的生物相容性和电化学传感性能
将该平台应用于病原感染（辣椒疫霉）胁迫，传感器捕捉到水杨酸在感染后10小时显著上升，24小时达初始值12.3倍，且该激素激增先于气孔大规模关闭发生，并与水杨酸合成酶、转录因子及病程相关蛋白基因的表达上调在时间上高度吻合，完整揭示了植物免疫信号级联的时序逻辑。在盐胁迫模型中，传感器同样实时记录了脱落酸的动态变化及其驱动的气孔响应和下游基因表达，验证了该平台对不同胁迫类型的普适性。
图4：纤维传感器揭示不同辐射条件下的激素动力学特征
最后，研究模拟了空间环境中的紫外辐射（UVA、UVB、UVC）对大豆的影响。传感器清晰区分了三种波长的差异化效应：UVC引发急性水杨酸激增（上升速率>0.79 μmol·h⁻¹），指示高能辐射导致的严重细胞损伤；UVB诱导持续的中度升高，与光受体通路介导的防御启动相关；UVA仅引起轻微响应。更重要的是，传感器数据确定了损伤阈值，峰值水杨酸浓度超过约6.6 μM时，叶片将发生不可逆死亡，且这一生化信号早于可见症状的出现。该结果为未来空间农业中利用激素动态指导紫外管理，如安全窗口内的UVB增强防御、UVC泄漏即时预警等提供了定量依据。
总结展望
综上所述，该工作开发了一种伴随植物生长的金属凝胶传感器，实现了植物激素在生长过程中的连续、实时、准确监测，并在多种胁迫场景下验证了其可靠性。该传感器不仅为植物逆境响应机制研究提供了强大的实时分析工具，也为未来空间农业、智能温室和精准育种中的闭环管理系统奠定了基础。进一步拓展传感靶标、构建多节点时空传感网络，并结合人工智能建立植物“数字孪生”模型，将有望实现作物生理状态的先知响应和智能调控。
论文信息
南京大学现代工程与应用科学学院博士生邹旷怡和王嘉诚为论文共同第一作者，南京大学现代工程与应用科学学院张晔教授为论文通讯作者，南京大学是该论文的第一单位。研究工作受到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省 “双创团队”项目等基金的支持。相关研究以“Growing Fiber Sensors Enable Continuous In Vivo Monitoring of Plant Hormones”为题发表在Advanced Materials上。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74856
