这种能与植物“对话”的设备，国内可以量产了
经历高温炙烤时，植物会“喊热”吗？遭遇病虫害时，它们是否会“呼救”？缺乏营养时，他们又是否会张口“求援”？
对于这些问题，相信很多人都会给出否定答案。但事实上，科研人员早已经发现，植物会和动物一样表现出“喜怒哀乐”，而这些关键性的生理信息就藏在叶片发出的荧光信号中。
能够感知和解析这些信号的设备被称为叶绿素荧光检测仪器。它们如同一个个精通植物语言的“翻译官”，可以让科研工作者清晰读懂植物的“心里话”，有效实现对植物光合生理信号的精准解读。
长期以来，我国在该领域的高端设备一直依赖进口，但不久前，这一局面终于被打破——江南大学教授郭亚团队经过多年持续攻关，实现了系列高性能叶绿素荧光检测仪器的研发和量产。
重要的“副产品”
作为一个专业词汇，“叶绿素荧光”看似“高大上”，实则只是植物光合作用过程中的“副产品”。
“众所周知，叶绿体是维持植物光合作用的场所。”郭亚解释说，存在于叶绿体中的叶绿素分子就像是一个个“光能转换器”，接收到阳光时，“转换器”便被“激发”，产生高能电子。这些电子经历一系列传递与氧化还原反应，其携带的能量被用于生成活跃的化学能，进而驱动植物将二氧化碳和水分子转化、合成为植物生长所需的物质。
不过，这一过程的转化效率并非100%，部分能量会以热能或荧光的形式释放出来，这种荧光便是所谓的“叶绿素荧光”。
“健康的植物体内，光合作用运转顺畅，叶绿素吸收的绝大部分光能都被有效利用，只有极少能量会变成荧光‘漏’出来。”郭亚说，但当植物出现干旱、病虫害等问题时，其转化效率便会降低。此时，多余的能量会重新分配——初期，大量能量会以荧光形式散发，导致荧光信号增强，但随着植物启动强大的“热耗散”保护机制，过剩能量将更多以热形式释放，导致荧光“泄露”比例相对降低。
“这种荧光的动态变化，正是植物发出‘求救信号’的精密密码。”郭亚告诉《中国科学报》，植物在光照下，荧光会随时间变化生成动态曲线。这条曲线的上升、下降模式和从中计算出的特征参数，构成了植物独特的生理“指纹”。“当植物健康受损时，‘指纹’会发生改变。通过解读这些变化，我们能精准判断其生长状态和健康程度。”
历史上，叶绿素荧光现象最早发现于1834年，此后的百余年间，人们对此现象进行了深入研究，同时也研发了各种解读植物叶绿素荧光“密码”的仪器设备。
长期以来，我国该领域依赖于进口的测试仪器，存在购置成本高、功能集成度低等问题，难以支撑我国农业科研中对多参数、高通量测量的实际需求。
从“普通”到“高性能”
研发出高性能的国产叶绿素荧光检测仪器是郭亚20年前就立下的夙愿。彼时，他正在美国密苏里大学攻读生物工程专业博士学位。
此后多年，郭亚完成学业，学成归国，并带领团队逐渐攻克了相关的技术难题，最终实现了叶绿素荧光检测仪器的成功研制。
然而，这一成绩并没有让团队成员感到满足。
“在叶绿素荧光检测与分析方面，传统仪器有其优势，但不足也是很明显。”郭亚说，比如，传统设备只能获取简单的“窄带信号”激励的叶绿素荧光。
“传统仪器激发出的叶绿荧光信号简单，便于人工直接解读与统计分析。”郭亚说，但“窄带信号”的信息丰富性有限，这就像用单一的问题和植物“对话”，得到的“回应”寥寥无几，很难获取植物生理的全面信息。
郭亚团队一直试图研发高性能的叶绿素荧光检测仪器，而随着人工智能技术的发展，团队看到了突破的可能。
“我们给仪器配备了‘全频麦克风’和‘智能大脑’，研发的系列仪器不仅能像传统设备那样测量基础荧光数据，还能发出复杂的‘宽带激励信号’。”郭亚说，这相当于用丰富的语言和植物进行“深度交流”，可以捕捉到含有更丰富生理信息的荧光信号。
有了丰富的荧光数据后，借助机器学习技术，可以在浩如烟海的“对话”中，提炼出关键信息，从而解锁植物生长的更多“秘密”，实现对其生理状态的精准洞察，对现代作物育种、精准农业生产及生态环境检测具有重要价值。
目前，郭亚团队已经先后研发出多款高性能设备，包括宽带激励功能的手持式叶绿素荧光仪、无线传感器网络版叶绿素荧光仪以及叶绿素荧光成像仪等。
有情怀才有动力
对于干旱、病虫害等农作物的常见问题，只要稍有常识的人，凭借肉眼观察便可以发现，为什么还要大费周折地用荧光判断？
“这是一个好问题。”郭亚解释说，在日常的农业生产中，对于一些常见问题，肉眼确实可以做出判断，但如果是在植物与农业研究领域，这方面的要求就要严格得多——通过科学仪器，科研人员可以建立荧光信号与植物生理代谢过程，乃至基因变化之间的关系，从而为揭示植物生理机制及基因育种等技术研发提供依据。
即便是日常农业生产中，随着精细化农业的普及，对于一些病虫害感染或者环境变化影响，普通的观测手段往往具有明显滞后性，而借助对叶绿素荧光的探测，可以大幅提升对于某些潜在农业问题提前预判的准确性。
“也就是说，目前叶绿素荧光检测设备具有很强的‘科学设备’属性。”郭亚说，这一点也直接影响他在研发和产业化过程中的决策判断。
事实上，对于相关设备的产业化探索，始终伴随着郭亚的技术研发过程。早在2019年，他便与产业界人士合作成立了绿视芯科技（无锡）有限公司，专门从事相关设备以及技术的研发。在此过程中，他始终秉持着对于仪器以及技术的高质量要求。
“在这方面，我也曾合作伙伴产生过分歧，比如某项技术如果推入市场，可以立即产生效益，但在它没有完全成熟之前，我更倾向于继续深入研发，而非贸然‘变现’。”郭亚说。
在他看来，高校教师在从事科研成果尤其是科学仪器的产业化过程中，必须要有情怀加持。
“对于高校教师来说，科学仪器研发周期长，技术要求高。研发并产业化科学仪器的过程是艰辛的，既有现行学术评价体系某些不足所带来的掣肘，也会面临创业过程中的高风险。”他说，一个好的成果需要甘坐数年冷板凳来打磨，
“在这一过程中，你有造福社会与行业的科研情怀，才能有发自内心的动力，支撑自己在研发和产业化的道路上坚持下去，也只有这样做，你才最终有可能做出‘真正的东西和提供有价值的服务’。”郭亚说。
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