原創(chuàng) 王強(qiáng) CellPress細(xì)胞科學(xué) 來(lái)自專輯Cell Press青促會(huì)述評(píng)、

交叉科學(xué)

Interdisciplinary

作為世界領(lǐng)先的全科學(xué)領(lǐng)域?qū)W術(shù)出版社，細(xì)胞出版社特與“中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)”合作開(kāi)設(shè)“青促會(huì)述評(píng)”專欄，以期增進(jìn)學(xué)術(shù)互動(dòng)，促進(jìn)國(guó)際交流。

第十一期專欄文章，由中國(guó)科學(xué)院植物研究所副研究員、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員 王強(qiáng)，就 iScience 中的論文發(fā)表述評(píng)。

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傳粉，對(duì)于有花植物而言，是指成熟的花粉從雄蕊的花藥散出并傳遞到雌蕊柱頭上的過(guò)程。這一過(guò)程看似不起眼，卻是有花植物世界中最重要的一項(xiàng)生殖活動(dòng)，不僅事關(guān)下一代的“健康成長(zhǎng)”，而且關(guān)系到我們美麗的地球家園的“可持續(xù)發(fā)展”。除去一些自花傳粉的物種，異花傳粉的植物通常需要借助傳粉媒介的幫助來(lái)完成傳粉的過(guò)程。有花植物的傳粉方式多種多樣：有的借助風(fēng)力傳送花粉，如楊樹(shù)，樺樹(shù)等；有的借助水力傳送花粉，如金魚(yú)藻、水鱉等水生植物；更多的植物則是借助動(dòng)物，特別是昆蟲(chóng)進(jìn)行傳粉。

在傳粉的昆蟲(chóng)中，蜜蜂是絕對(duì)的網(wǎng)紅，妥妥的勤勞、奉獻(xiàn)的人設(shè)（蟲(chóng)設(shè)）。養(yǎng)蜂業(yè)自身的產(chǎn)值也許并不算大，但它對(duì)主要經(jīng)濟(jì)作物的增產(chǎn)貢獻(xiàn)卻是無(wú)法估量的。當(dāng)前，全球約四分之三的作物依靠蜂類或其他昆蟲(chóng)傳粉。然而，殺蟲(chóng)劑的使用、土地開(kāi)墾以及氣候變化，造成了傳粉昆蟲(chóng)數(shù)量銳減，威脅到糧食安全。雖然人工授粉能夠解決一些問(wèn)題，但這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下。機(jī)器噴射花粉比人工授粉更加快捷，但其有效授粉率很低，花粉被大量浪費(fèi)，成本也相應(yīng)上升。問(wèn)題來(lái)了：能不能找到一種價(jià)廉物美，簡(jiǎn)單高效的方法來(lái)輔助植物傳粉呢？

一個(gè)魔幻的場(chǎng)景出現(xiàn)了：一群天真爛漫的孩子，每人手持一個(gè)肥皂泡泡機(jī)，沖進(jìn)田間地頭玩泡泡，不一會(huì)兒的功夫，孩子們泡泡玩夠了，植物傳粉的工作也完成了。聽(tīng)起來(lái)是不是特別不可思議，像是格林童話？不，這可能是真的。近期Cell Press細(xì)胞出版社旗下開(kāi)放獲取期刊 iScience 報(bào)道了來(lái)自日本北陸先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（JAIST）Eijiro Miyako團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新技術(shù)——肥皂泡傳粉技術(shù)，只是這項(xiàng)技術(shù)不需要孩子們參與，而是采用無(wú)人機(jī)來(lái)吹泡泡。

可能大家不太好理解，肥皂泡不是拿來(lái)玩的么？怎么還能傳粉？這是因?yàn)榉试砼菥哂刑烊坏谋∧缀谓Y(jié)構(gòu)，擁有穩(wěn)定的可以溶解花粉的液膜，同時(shí)還有極大的授粉表面積（相對(duì)于花朵）。肥皂泡質(zhì)量輕，柔軟韌性好，直接噴射不會(huì)對(duì)花造成機(jī)械損傷。此外，肥皂泡環(huán)保易降解，成本還特別低。所有這些特性似乎表明肥皂泡就是為傳粉而生。說(shuō)實(shí)話，筆者也實(shí)在想不出比肥皂泡更好的傳粉工具了。

▲圖1  肥皂泡介導(dǎo)授粉離體實(shí)驗(yàn)

當(dāng)然，該研究使用的肥皂泡與大家通常玩的肥皂泡并不一樣，而是添加了特殊的表面活性劑，并把花粉溶解其中。在肥皂泡離體授粉實(shí)驗(yàn)中（圖1），作者試驗(yàn)了多種不同的表面活性劑，包括月桂酰胺丙基甜菜堿，聚氧乙烯十二烷基醚硫酸鈉，十二烷基羥基磺基甜菜堿，聚氧乙烯烷基醚硫酸鈉，以及一種乙二胺。比較分析結(jié)果顯示，月桂酰胺丙基甜菜堿相比其他表面活性劑的表現(xiàn)更好，這種表面活性劑具有更高的肥皂泡形成能力，而且其攜帶的花粉在萌發(fā)和花粉管生長(zhǎng)等方面都有更好的表現(xiàn)。

選出合適的肥皂泡，接下來(lái)就是與傳統(tǒng)人工授粉比拼實(shí)操了。研究人員選取了果園中的梨樹(shù)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比人工授粉等其他傳統(tǒng)授粉方式，肥皂泡授粉的花粉表現(xiàn)出了更高的活性（圖2）。肥皂泡授粉不僅行之有效，還能降低勞動(dòng)成本和花粉成本。

▲圖2 肥皂泡介導(dǎo)授粉與其他授粉方式的野外對(duì)比實(shí)驗(yàn)

最后，運(yùn)輸泡泡的大殺器——無(wú)人機(jī)閃亮登場(chǎng)，但是無(wú)人機(jī)實(shí)在是“太拉風(fēng)”啦，螺旋槳常常會(huì)對(duì)肥皂泡的穩(wěn)定性造成影響。為解決這一問(wèn)題，研究人員在肥皂液中加入了2%的羥丙基甲基纖維素（HPMC）來(lái)增強(qiáng)泡泡的機(jī)械穩(wěn)定性。結(jié)果驚喜的發(fā)現(xiàn)肥皂泡的穩(wěn)定性顯著提高，能夠抵擋無(wú)人機(jī)螺旋槳的影響，而其攜帶的花粉活性以及授粉成功率也能得到保證（圖3）。

至此，一種全新的植物授粉技術(shù)成型了。掛載肥皂泡泡機(jī)的無(wú)人機(jī)不僅能成功的對(duì)植物進(jìn)行授粉，而且相較人工授粉等其他授粉方式有很多的優(yōu)勢(shì)，完全可以解決當(dāng)前植物授粉中面臨的主要難題！當(dāng)然，研究人員并沒(méi)有就此滿足，他們還對(duì)這項(xiàng)技術(shù)提出了進(jìn)一步的改良設(shè)想，如尋找生態(tài)友好型，甚至可食用的表面活性劑來(lái)替代當(dāng)前的月桂酰胺丙基甜菜堿。而在精準(zhǔn)自動(dòng)授粉機(jī)器人研發(fā)方面，作者也從機(jī)器人定位及制圖、視覺(jué)感知、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制和操作技術(shù)等方面進(jìn)行了展望。

▲圖3  搭載無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定化肥皂泡授粉測(cè)試

用“過(guò)家家”的方式輕松解決人類社會(huì)面臨的大問(wèn)題，這就是科學(xué)的魅力。感慨于研究人員獨(dú)辟蹊徑的同時(shí)，筆者也想班門(mén)弄斧，提出兩條補(bǔ)充建議：

不妨給無(wú)人機(jī)掛載“分導(dǎo)式”花粉泡泡機(jī)，一次掛載更多種類的花粉，這樣就可以同時(shí)為幾十種甚至上百種植物授粉，不但可以應(yīng)用于農(nóng)作物授粉，甚至還可以應(yīng)用于野生植物的人工繁育保護(hù)。

配合“分導(dǎo)式”泡泡機(jī)，給無(wú)人機(jī)安裝人工智能植物識(shí)別軟件（如當(dāng)前已經(jīng)取得不錯(cuò)效果的“花伴侶”植物識(shí)別APP）。無(wú)人機(jī)訪問(wèn)不同植物時(shí)，就可以首先采用識(shí)別軟件對(duì)植物進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定，然后引導(dǎo)泡泡機(jī)配送對(duì)應(yīng)物種的花粉泡泡，達(dá)到高效精準(zhǔn)授粉的目的。

論文摘要

自然授粉或人工授粉是有花植物生命周期中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。當(dāng)前，全球傳粉昆蟲(chóng)數(shù)量不斷減少、人工授粉勞動(dòng)繁重，花粉成本不斷上升，這些都成為有花植物授粉面臨的世界性難題。在本研究中，我們展示了一種化學(xué)功能型肥皂泡，這種肥皂泡具有特殊的粘性、柔軟性、高柔韌性，以及增強(qiáng)花粉活性的作用，因此能夠方便有效地將花粉粒輸送到靶向花朵的柱頭上。通過(guò)研究肥皂泡的物理化學(xué)性質(zhì)，我們還制備出了能夠承受無(wú)人機(jī)螺旋槳運(yùn)動(dòng)的具有機(jī)械穩(wěn)定性的肥皂泡。這讓無(wú)人機(jī)掛載肥皂泡泡機(jī)自動(dòng)授粉成為了現(xiàn)實(shí)。這項(xiàng)自動(dòng)智能機(jī)器人授粉技術(shù)必將激發(fā)創(chuàng)新型農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，并由此解決全球有花植物授粉問(wèn)題。

Natural and artificial flower pollination are critical processes in the life cycle of flowering plants. Declines in the number of global pollinator insects, the heavy labor of conducting artificial pollination manually, and the rising cost of pollen grains are considered to be significant worldwide problems. Here we show that chemically functionalized soap bubbles exhibit effective and convenient delivery of pollen grains to the targeted flowers thanks to their stickiness, softness, high flexibility, and enhancement of pollen activity. By exploring the physicochemical properties of functional soap bubbles, we could prepare mechanically stabilized soap bubbles capable of withstanding the windmills produced by robotic pollination. An unmanned aerial vehicle equipped with a soap bubble maker was autonomously controlled to pollinate flowers. Such technology of automatic intelligent robotic pollinationwith functional softmaterialswould lead to innovative agricultural systems that can tackle the global issues of pollination.

中文內(nèi)容僅供參考，請(qǐng)以英文原文為準(zhǔn)

評(píng)述人簡(jiǎn)介

王強(qiáng)

中國(guó)科學(xué)院植物研究所副研究員

中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員

wangqiang@ibcas.ac.cn

王強(qiáng)，中國(guó)科學(xué)院植物研究所副研究員，中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員。主要從事唇形科、桔梗科植物分類與系統(tǒng)進(jìn)化研究。

Qiang Wang is an associate professor of Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, and membership of Youth Innovation Promotion Association, Chinese Academy of Sciences. He mainly focuses on plant taxonomy, systematics and evolution of the families Lamiaceae and Campanulaceae.

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