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打开植物根系的“黑匣子”

信息来源:中国科学报  发布时间: 2024-06-07   点击数:保护视力色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)

蒋海波(右)在使用根际全生命周期无损采样装置。成都生物所供图
在广阔且隐秘的地下空间,不断扩张、盘绕和交错的植物根系构成了世界上最复杂的界面之一。而在离根轴表面数毫米的范围之内,又“萦绕”着数万种微生物和各类代谢物。土壤、根系、微生物之间相互作用,组成了难以用肉眼察觉的微观世界。
“这样的区域,我们称为根际。”中国科学院成都生物研究所(以下简称成都生物所)高级工程师蒋海波又将其称作“黑匣子”,因为它们深埋暗地,变化多端,让人看不清、摸不透。
为了帮助科研人员打开这个“黑匣子”,蒋海波系统开展了根系表型无损观测技术研发,以此实现了对植物根系的“高清”成像,以及对根际微生物、分泌物等复杂因子的无损监测,为农业育种、植物学、生态学研究提供了全新的技术装备。
凭借其在科研装备研发方面的贡献,日前,蒋海波荣获第五届中国科学院“科苑名匠”称号。
儿时兴趣化为对事业的使命感
2011年,正在电子科技大学攻读博士学位的蒋海波,收到了某头部通信科技公司的录取通知书。然而,面对高薪又光鲜的职位,他却放弃了。
两年后,从计算机软件与理论专业毕业的他,成为成都生物所一名工程师。“对于我来说,这个机会更难得。”蒋海波说,“在这里,我可以针对探索性科学研究、个性化新装备需求,去研发‘专精特新’的装备。”
10年过去了,在钟爱的领域坚守的他,设计和研发出植物根系全生命周期无损观测技术、高通量多尺度体表微观自动成像系统、飞鸟捕食模拟系统,以及动物咬力测量系统等,精准满足了植物表型组学、动物行为学等研究领域对特殊性新装备的需求。
在整个研发过程中,蒋海波的探索欲和创造力不断被激发。
在接受《中国科学报》采访时,蒋海波回忆起高中时代曾在山东省临沂市举办的青少年发明大赛中斩获奖项。那场比赛他不仅获得了证书和现金奖励,还得到一套与思维创新有关的书籍。“对我来说,这不仅是个鼓励,更是激发我兴趣的起点。”
如今,蒋海波将兴趣转化为一种使命。“做基础科学研究,一定要注重相关设备的研发。如果一味从国外买现成的仪器,就是在压缩我们做原始创新工作可能性的空间。”蒋海波认为,一流的科研工作一定要有一流且自主创新的技术装备作支撑。
“这条创新之路,要秉持一种更为开放和融合的视角。”蒋海波说,尽管研究所的工作主要聚焦农业和生态方面,但过程中涵盖了生物学、物理学、计算机科学和工程学等多个领域的内容。“所以要重视学科交叉,加强不同领域的合作,才能解决更为复杂的科学问题。”
给植物根系做高清“CT”
“合成涡旋场高分辨成像技术”的研发,就是一次跨学科合作的成果。
在临床医学中,可以通过X光、计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、超声、核医学成像等各种成像技术,观察人体内部的结构和功能。
理论上讲,上述成像技术也可应用于探察植物根系。但目前相关设备太大,对实验条件要求苛刻,并不适用于野外调查。“况且其背后的技术专利已被国外垄断,我们必须走一条自主研发的技术路线。”蒋海波说。
2019年,蒋海波承担了中国科学院先导专项A“种子精准设计与创造”颠覆性前沿技术探索子课题,面向农业育种国家重大战略需求,对植物根系的形态观测和根际界面全要素解析进行技术研发。
他与电子科技大学从事微波器件和微波理论研究的宫玉彬教授团队合作,不仅在涡旋场成像方面实现了突破,还在利用合成涡旋场技术上实现了多个创新。
涡旋场成像就是,当发射源向目标物发射电磁波时,会形成“甜甜圈”一样的涡旋场。
“单位周期内发射的‘圈’越多,两个‘圈’之间的距离越短,反射回的信息成像分辨率就越高,探测也就越精准。”蒋海波介绍,想要“圈”多,就要提高涡旋电磁波模式数。传统方式是增加发射源,即天线个数,但大量扩充天线阵列不太实际,成本太高。
“要是用‘虚拟合成’的方式呢?”蒋海波灵光乍现,“就像当许多利箭迎面射来,而我手中只有一面盾牌时,我是不是要不断移动盾牌以此挡住更多来箭?”
他琢磨,尽管发射端只能安装一定数量的天线,但可以按照一定周期和角度,通过旋转天线阵列并按照一定调控规律同时发射电磁波,从而提高模式数。
在与宫玉彬团队的合作下,他们很快搭建原理样机验证了这一想法。由此,团队开发出拥有完全自主可控专利的合成涡旋场高分辨成像技术,并完成了多种场景下便携式原型样机的开发,实现对多类毫米级埋藏目标的无损探测。目前,该技术不仅应用于根系和根际研究中,还为乳腺癌的早期筛查提供了新的技术解决路线。
少一分急功近利,多一分精益求精
如果说“合成涡旋场高分辨成像技术”是协助科研人员把根系形态“看清楚”,那么“植物根系全生命周期无损测量技术”的研发,就是解决了根际微生物、分泌物等复杂因子的取样和监测问题。
“我们要研究根系分泌物,不太可能用肉眼看。一种办法就是将根系挖出,进行浸泡、提取,再利用测试仪器进行分析。”蒋海波说,但这样操作使根系无法复原,且不方便实现根系全生命周期的监测。
如何长时间对根系物质变化过程进行无损取样,是蒋海波考虑的核心问题。
为此,基于根系生长和分布规律的统计数据,蒋海波设计了一种埋于地下的根系引导装置,不仅保证根系能在其间顺利生长,还能方便研究人员随时进行样品的提取。
装置根管的走线如何布局、形成的每一个弧度有多大……蒋海波都进行了精密的计算。在根管下方的槽口,他还巧妙地安设了一个气囊。“平时气囊处于干瘪状态,让槽口开放,使根系能够和外界进行物质能量交换。如果要注入浸提剂等溶液对根际进行取样,便给气囊充气,堵住槽口,方便物质的提取。”
2015年,该装置相应功能开发完成不久,一家企业就对此装置表现出转化意向,但被蒋海波拒绝了。“我认为当时的装置只能实现基本功能,如果要进行应用,还要花费时间调整参数。”他不愿急功近利,只想更加精细地“雕琢”,使装备在使用过程中更方便。
经过完善后,该技术已顺利实现转化应用。例如,在自然界碳汇研究领域,该技术能帮助科研人员进一步了解微生物在根系生长过程中的变化和作用,为分析植物根系对土壤固碳能力的影响提供数据支撑。
比起物质上的回报,研发成果能真正解决实际问题,更让蒋海波感到欣慰。“成果得以应用并不意味着就到达了终点,还有很多问题需要我继续总结和探索。”
《中国科学报》 (2024-06-07 第3版    综合)