植物生命分析儀破解能量代謝難題開啟植物生命新篇章

中國科學院地球化學研究所2025年5月9日報道，該所環境地球化學國家重點實驗室吳沿友研究員課題組，經十余年研究，創新突破能量存儲轉換與物質運輸代謝耦合難題，成果集成于科學出版社專著《植物電生理信息檢測原理及應用》（ISBN 978-7-03-077462-0）。
 
該書分八章。第一章，闡述植物電信號及電學特征，探討植物電生理信息檢測技術。第二章，研究植物電生理信息對水分變化的響應，探討了植物電生理信息表征水分狀況的原理及技術。第三章，研究植物對低營養的響應，探討植物的主動和被動轉輸能力的定量檢測，以及植物耐低營養能力和營養利用效率的檢測方法。第四章，研究植物對鹽分逆境的響應，探索植物電生理信息對植物抗鹽能力的表征以及植物電生理信息在鹽水灌溉中的應用。第五章，研究了植物電生理對病害的響應；探索植物電生理信息在植物抗病能力檢測中的應用。第六章，研究植物對pH的響應，探索基于植物電生理信息的植物耐酸堿能力的檢測。第七章，研究電生理信號的晝夜節律表征植物的適應性方法，探討植物電生理信息對植物健康及適應性的表征。第八章，探討了植物電生理信息測定的科學意義及其在學科發展中的作用，展望了植物電生理學的研究前景。 報道說，生物體內的物理過程和化學反應相互作用塑造了生命的壯麗輝煌。細胞是一個兼具電感和電阻特性的電容器。這些電子元件在細胞內進行能量儲存與轉換，驅動著生物代謝。將細胞中這些電子元件的能量儲存與轉換過程與物質運轉和代謝過程偶聯起來，對物理學家和生物學家來說都是一個巨大的挑戰。目前，盡管一些研究人員使用電學傳感器甚至膜片鉗技術獲取植物電信號，但這些植物電信號只能反映植物水分和養分的即時狀態信息，既不能表征水分和營養動力學過程，也不能偶聯能量儲存和轉換過程與物質運轉和代謝過程。

吳沿友研究員帶領十八位碩士、六位博士和三位博士后，通過10余年潛心研究與探索，經大量實驗與理論推導證實（在國際重要期刊上發表30余篇論文，發表了25篇碩士博士論文，授權了30余件國家發明專利），植物內基于電子能的內能變化量可表征生命活動過程。首創基于熱力學方程的感算一體技術，發明了植物生命分析儀，實現對細胞內能量變化的實時監測分析，建立50余項細胞調控動力學指標，系統解析植物生長發育及功能形成的生命過程機制，創新地解決了能量存儲轉換與物質運輸代謝耦合難題。

為什么說解決了能量存儲轉換與物質運輸代謝耦合問題，就為認識植物生命活動規律打開了新窗口呢？那是因為能量存儲轉換是生命活動的驅動力和核心過程。林肯 泰茲（Lincoln Taiz）在《植物生理學》（第六版）中指出，能量生產與運輸能力，既是植物的核心生命功能，也是基因表達的一種結果（圖一）。


也就是說，能量與資源持續在植物不同組織之間的流動是植物生理過程的重要組成部分（圖二），這個意義上講，細胞能量與資源代謝過程是植物基因池的基因表達成性狀的必經之路（圖三）。
 
這里的核心概念是，在眾環境因子的驅動與脅迫下，植物基因池的基因在植物生命過程中的表達是持續波動的（圖四）。那么，如果能夠實時監測能量和資源在代謝網絡中的流動能力，就可以追溯植物運行活動中包括基因表達在內的分子生物學調控機制（圖五）。


植物生命分析儀能夠測量與表征能量與資源五大類50余個流動性能力指標（圖六），這五大類50余個流動性能力指標可以幫助科學家追溯環境與基因互作的分子機制，以及可預測基因表達與性狀形成的情況（圖七）。例如，植物生命分析儀可以為基因表達和生物育種新增細胞生物學測試路徑與工具（圖八），可以幫助科學家系統解析植物生長發育及功能形成的生命過程機制，為科學家認識植物生命活動規律打開了新窗口（圖九）。


植物生命分析儀構建了全球首個植物過程和能量動態實時大數據平臺。該平臺為科研工作者提供以下核心功能服務：1）植物生命活動監測系統：通過實時、無損的在線監測技術，動態獲取植物生理活動與能量轉化數據。2）生理狀態智能分析：基于多維數據構建評估模型，系統性解析植物健康水平、生長動態及代謝特征。3）植物機理數字化解析：構建基因表達、細胞代謝與植株形態的關聯模型，實現不同層級（基因-細胞-植株）生長調控機制的可視化定量研究。4）科研應用支撐平臺：為分子育種、精準農業及植物生理調控研究提供智能化分析工具與數據支持。5）農業實踐優化方案：通過育種過程可視化、智能栽培決策系統及生態環境監測網絡的集成應用，提升作物生產效率與資源利用精度，推動農業可持續發展。

植物生命分析儀已經在油菜病害監測，水稻蟲害與修復實時監測，小麥多品種全生命周期高產性、抗旱性和適應性在線測評，大豆品種高產性、優質性和抗鹽性在線測評，玉米抗逆性測評，以及石斛、白及等中藥材高產性、抗旱性和適應性在線測評等作物生命信息在線感知領域進行了一系列開創性研究。

植物生命分析儀在中國農業大學、西北農林大學、中國科學院地球化學研究所、中國科學院東北地理與生態研究所、云南大學、貴州大學、江蘇大學、江蘇省農業科學院、貴州省農業科學院、泉州市農業科學院、邢臺市農業科學院等單位得到良好應用。
 
植物生命分析儀通過實時監測能量與資源的動態流動，為揭示植物生長發育、環境適應及基因表達調控的分子機制提供了全新的技術手段。這一突破不僅深化了我們對植物生命活動規律的理解，也為分子育種、精準農業及可持續農業發展注入了新的動力。未來，隨著植物生命分析儀及其大數據平臺的進一步優化與推廣，其在全球農業科研與生產中的應用前景將更加廣闊。它將助力科學家和農業從業者更精準地應對氣候變化、資源短缺等挑戰，推動農業向智能化、綠色化方向邁進，為全球糧食安全和生態環境保護貢獻中國智慧與力量。這一創新成果的誕生，標志著植物電生理學研究邁向新高度，也為人類探索生命奧秘、實現農業現代化開辟了嶄新篇章。