中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所2025年5月9日?qǐng)?bào)道，該所環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳沿友研究員課題組，經(jīng)十余年研究，創(chuàng)新突破能量存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換與物質(zhì)運(yùn)輸代謝耦合難題，成果集成于科學(xué)出版社專(zhuān)著《植物電生理信息檢測(cè)原理及應(yīng)用》（ISBN 978-7-03-077462-0）。
 
該書(shū)分八章。第一章，闡述植物電信號(hào)及電學(xué)特征，探討植物電生理信息檢測(cè)技術(shù)。第二章，研究植物電生理信息對(duì)水分變化的響應(yīng)，探討了植物電生理信息表征水分狀況的原理及技術(shù)。第三章，研究植物對(duì)低營(yíng)養(yǎng)的響應(yīng)，探討植物的主動(dòng)和被動(dòng)轉(zhuǎn)輸能力的定量檢測(cè)，以及植物耐低營(yíng)養(yǎng)能力和營(yíng)養(yǎng)利用效率的檢測(cè)方法。第四章，研究植物對(duì)鹽分逆境的響應(yīng)，探索植物電生理信息對(duì)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(yīng)用。第五章，研究了植物電生理對(duì)病害的響應(yīng)；探索植物電生理信息在植物抗病能力檢測(cè)中的應(yīng)用。第六章，研究植物對(duì)pH的響應(yīng)，探索基于植物電生理信息的植物耐酸堿能力的檢測(cè)。第七章，研究電生理信號(hào)的晝夜節(jié)律表征植物的適應(yīng)性方法，探討植物電生理信息對(duì)植物健康及適應(yīng)性的表征。第八章，探討了植物電生理信息測(cè)定的科學(xué)意義及其在學(xué)科發(fā)展中的作用，展望了植物電生理學(xué)的研究前景。 報(bào)道說(shuō)，生物體內(nèi)的物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)相互作用塑造了生命的壯麗輝煌。細(xì)胞是一個(gè)兼具電感和電阻特性的電容器。這些電子元件在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)著生物代謝。將細(xì)胞中這些電子元件的能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換過(guò)程與物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)和代謝過(guò)程偶聯(lián)起來(lái)，對(duì)物理學(xué)家和生物學(xué)家來(lái)說(shuō)都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。目前，盡管一些研究人員使用電學(xué)傳感器甚至膜片鉗技術(shù)獲取植物電信號(hào)，但這些植物電信號(hào)只能反映植物水分和養(yǎng)分的即時(shí)狀態(tài)信息，既不能表征水分和營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，也不能偶聯(lián)能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換過(guò)程與物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)和代謝過(guò)程。

吳沿友研究員帶領(lǐng)十八位碩士、六位博士和三位博士后，通過(guò)10余年潛心研究與探索，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)與理論推導(dǎo)證實(shí)（在國(guó)際重要期刊上發(fā)表30余篇論文，發(fā)表了25篇碩士博士論文，授權(quán)了30余件國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利），植物內(nèi)基于電子能的內(nèi)能變化量可表征生命活動(dòng)過(guò)程。首創(chuàng)基于熱力學(xué)方程的感算一體技術(shù)，發(fā)明了植物生命分析儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)能量變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，建立50余項(xiàng)細(xì)胞調(diào)控動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，系統(tǒng)解析植物生長(zhǎng)發(fā)育及功能形成的生命過(guò)程機(jī)制，創(chuàng)新地解決了能量存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換與物質(zhì)運(yùn)輸代謝耦合難題。

為什么說(shuō)解決了能量存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換與物質(zhì)運(yùn)輸代謝耦合問(wèn)題，就為認(rèn)識(shí)植物生命活動(dòng)規(guī)律打開(kāi)了新窗口呢？那是因?yàn)槟芰看鎯?chǔ)轉(zhuǎn)換是生命活動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力和核心過(guò)程。林肯 泰茲（Lincoln Taiz）在《植物生理學(xué)》（第六版）中指出，能量生產(chǎn)與運(yùn)輸能力，既是植物的核心生命功能，也是基因表達(dá)的一種結(jié)果（圖一）。


也就是說(shuō)，能量與資源持續(xù)在植物不同組織之間的流動(dòng)是植物生理過(guò)程的重要組成部分（圖二），這個(gè)意義上講，細(xì)胞能量與資源代謝過(guò)程是植物基因池的基因表達(dá)成性狀的必經(jīng)之路（圖三）。
 
這里的核心概念是，在眾環(huán)境因子的驅(qū)動(dòng)與脅迫下，植物基因池的基因在植物生命過(guò)程中的表達(dá)是持續(xù)波動(dòng)的（圖四）。那么，如果能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)能量和資源在代謝網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)能力，就可以追溯植物運(yùn)行活動(dòng)中包括基因表達(dá)在內(nèi)的分子生物學(xué)調(diào)控機(jī)制（圖五）。


植物生命分析儀能夠測(cè)量與表征能量與資源五大類(lèi)50余個(gè)流動(dòng)性能力指標(biāo)（圖六），這五大類(lèi)50余個(gè)流動(dòng)性能力指標(biāo)可以幫助科學(xué)家追溯環(huán)境與基因互作的分子機(jī)制，以及可預(yù)測(cè)基因表達(dá)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(dá)和生物育種新增細(xì)胞生物學(xué)測(cè)試路徑與工具（圖八），可以幫助科學(xué)家系統(tǒng)解析植物生長(zhǎng)發(fā)育及功能形成的生命過(guò)程機(jī)制，為科學(xué)家認(rèn)識(shí)植物生命活動(dòng)規(guī)律打開(kāi)了新窗口（圖九）。


植物生命分析儀構(gòu)建了全球首個(gè)植物過(guò)程和能量動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。該平臺(tái)為科研工作者提供以下核心功能服務(wù)：1）植物生命活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：通過(guò)實(shí)時(shí)、無(wú)損的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，動(dòng)態(tài)獲取植物生理活動(dòng)與能量轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)。2）生理狀態(tài)智能分析：基于多維數(shù)據(jù)構(gòu)建評(píng)估模型，系統(tǒng)性解析植物健康水平、生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)及代謝特征。3）植物機(jī)理數(shù)字化解析：構(gòu)建基因表達(dá)、細(xì)胞代謝與植株形態(tài)的關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)（基因-細(xì)胞-植株）生長(zhǎng)調(diào)控機(jī)制的可視化定量研究。4）科研應(yīng)用支撐平臺(tái)：為分子育種、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及植物生理調(diào)控研究提供智能化分析工具與數(shù)據(jù)支持。5）農(nóng)業(yè)實(shí)踐優(yōu)化方案：通過(guò)育種過(guò)程可視化、智能栽培決策系統(tǒng)及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的集成應(yīng)用，提升作物生產(chǎn)效率與資源利用精度，推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

植物生命分析儀已經(jīng)在油菜病害監(jiān)測(cè)，水稻蟲(chóng)害與修復(fù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，小麥多品種全生命周期高產(chǎn)性、抗旱性和適應(yīng)性在線測(cè)評(píng)，大豆品種高產(chǎn)性、優(yōu)質(zhì)性和抗鹽性在線測(cè)評(píng)，玉米抗逆性測(cè)評(píng)，以及石斛、白及等中藥材高產(chǎn)性、抗旱性和適應(yīng)性在線測(cè)評(píng)等作物生命信息在線感知領(lǐng)域進(jìn)行了一系列開(kāi)創(chuàng)性研究。

植物生命分析儀在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院東北地理與生態(tài)研究所、云南大學(xué)、貴州大學(xué)、江蘇大學(xué)、江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、泉州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院、邢臺(tái)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院等單位得到良好應(yīng)用。
 
植物生命分析儀通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能量與資源的動(dòng)態(tài)流動(dòng)，為揭示植物生長(zhǎng)發(fā)育、環(huán)境適應(yīng)及基因表達(dá)調(diào)控的分子機(jī)制提供了全新的技術(shù)手段。這一突破不僅深化了我們對(duì)植物生命活動(dòng)規(guī)律的理解，也為分子育種、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展注入了新的動(dòng)力。未來(lái)，隨著植物生命分析儀及其大數(shù)據(jù)平臺(tái)的進(jìn)一步優(yōu)化與推廣，其在全球農(nóng)業(yè)科研與生產(chǎn)中的應(yīng)用前景將更加廣闊。它將助力科學(xué)家和農(nóng)業(yè)從業(yè)者更精準(zhǔn)地應(yīng)對(duì)氣候變化、資源短缺等挑戰(zhàn)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)向智能化、綠色化方向邁進(jìn)，為全球糧食安全和生態(tài)環(huán)境保護(hù)貢獻(xiàn)中國(guó)智慧與力量。這一創(chuàng)新成果的誕生，標(biāo)志著植物電生理學(xué)研究邁向新高度，也為人類(lèi)探索生命奧秘、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化開(kāi)辟了嶄新篇章。