植物病害对全球粮食安全造成严重威胁。据统计，植物病害造成了全球约20-40%的作物损失【1】。单晚疫病就造成全球近50亿美元的金融损失【2】。晚疫病是由晚疫病病原菌（Phytophthora infestans）感染引起，导致植物组织表面产生黑褐色斑块，受感染的植物在几天内就会死亡【3,4】。因此，开发快速有效的诊断P. infestans等病原体的方法，对于预防病原体的传播和作物病害，减少农业经济损失至关重要。目前，植物病原菌的检测主要依赖PCR，DNA芯片和ELISA等分子技术【5-7】。基于核酸的方法的敏感性和特异性的较高，但检测方案繁琐。免疫分析技术检测简单方便，但受到检测灵敏度和特异性的限制。目前，能够两者兼顾的检测方法很少。
7月29日，北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University）化学与生物工程系魏青山团队在Nature Plants上发表题为Non-Invasive Plant Disease Diagnostics Enabled by Smartphone-Based Fingerprinting of Leaf Volatiles的研究论文。该研究团队开发了一种便携式实地诊断植物病害的技术。这种便携式设备能够与智能手机连接，快速分析植物叶片所释放的挥发性有机物来判断所感染的病害。
伴随着呼吸作用，植物会释放挥发性有机小分子，这些挥发物的种类和浓度会随着植物的病变而发生改变。每种植物病害所释放的有机物都具有独特的化学组成。因此，可以通过测定这些物种的种类与含量来确定单个植株是否患病以及病害的类型。而目前的病害诊断手段主要依赖于相对耗时昂贵的分子检测技术，同时必须在实验室中进行。样品的收集、传递与测试花费大量的时间，从而可能将植物病变的确诊拖延数日甚至数周。
魏青山团队开发了基于智能手机的快速、准确的便携式气体传感器平台用于实地检测。这项技术的操作步骤如下：将可疑的植株叶片放置于玻璃瓶中，容器加盖约15分钟以收集释放的待测气体，然后利用软管将这些气体用手机仪器上的微型泵抽入载有纸芯片的反应气室中加以反应。纸芯片嵌入了10种对特定化学基团具有响应性的染料分子以及纳米材料。通过手机摄像头拍照鉴定这些传感器阵列所产生的颜色变化进行指纹识别，使用者们就能精确测定植物病变的种类。
图1. Design of the smartphone imaging platform for plant volatile sensing
“为了实现这项技术，我们开发了不同的响应试剂嵌于纸芯片中，”本文的第一作者，北卡州立大学博士后李正博士提到。“大约一半的试剂来自现成的有机染料，但另一半则是表面功能化的，可与特定功能基团相互作用的金纳米颗粒。这些修饰过的纳米粒子可以让我们更加精确地检测多种气体挥发物。” 魏教授说到。“我们还设计并制造了一个基于手机的数据读取装置。现今市场上并没有类似的设备，”
“我们的技术将帮助农民们更加快捷地鉴别这些疾病，因此有助于他们采取有效措施控制病害的扩散和农作物的损失，”本文的共同作者，北卡州立大学植物病理学系的William Neal Reynolds杰出教授Jean Ristaino说到。“我们正在准备推广这项技术。”
魏青山团队已经验证了此设备能够检测并鉴别百万分之一(ppm)浓度的10种常见的植物气体标记物。他们通过此设备实现了对引起爱尔兰饥荒的晚疫病病原菌(Phytophthora infestans)的早期检测（48小时内）。同时，研究者们能够辨别引起番茄叶病变的多种类似病原体，包括晚疫病病原菌和其他重要的真菌类病原，鉴别准确度超过95%。
图2. Sensor response of the multiplex array to ten major plant volatiles
据魏青山教授介绍，该设备未来仍有两个方面有待提高。一方面，研究团队计划利用手机软件实现对纸芯片颜色图案的自动化分析，使用户分析病害变得更加容易。另一方面，该团队设想开发可定制的传感器阵列，使其成为更加专一的气体检测工具来测定特定的农作物病害。由于不同地区的作物面临着不同的病害威胁，因此研究团队希望根据这些特定的需求来开发相应的纸芯片传感器。
据悉，李正博士为论文的第一作者，魏青山教授为该论文的通讯作者；共同作者还包括北卡罗来纳州立大学的博士生Rajesh Paul和硕士生Jeana Hansel，本科生Taleb Ba Tis，Ristaino教授课题组的研究助理Amanda Saville以及魏青山教授课题组的博士后俞涛。
参考文献：
【1】Oerke, E. C. Crop losses to pests. J. Agric. Sci. 144, 31–43 ().
【2】Haverkort, A. J., Struik, P. C., Visser, R. G. F. & Jacobsen, E. Applied biotechnology to combat late blight in potato caused by Phytophthora infestans. Potato Res. 52, 249–264 ().
【3】Nowicki, M., Foolad, M. R., Nowakowska, M. & Kozik, E. U. Potato and tomato late blight caused by Phytophthora infestans: an overview of pathology and resistance breeding. Plant Dis. 96, 4–17 ().
【4】Saville, A. C., Martin, M. D. & Ristaino, J. B. Historic late blight outbreaks caused by a widespread dominant lineage of Phytophthora infestans (Mont.) de Bary. PLoS ONE 11, e0168381 ().
【5】Lees, A. K., Sullivan, L., Lynott, J. S. & Cullen, D. W. Development of a quantitative realtime PCR assay for Phytophthora infestans and its applicability to leaf, tuber and soil samples. Plant Pathol. 61, 867–876 ().
【6】Bodrossy, L. & Sessitsch, A. Oligonucleotide microarrays in microbial diagnostics. Curr. Opin. Microbiol. 7, 245–254 ().
【7】Harrison, J. G., Lowe, R. & Duncan, J. M. Use of ELISA for assessing major gene resistance of potato leaves to Phytophthora infestans. Plant Pathol. 40, 431–435 (1991).
原文链接：
/10.1038/s41477-019-0476-y
