中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所2025年5月9日報(bào)道，該所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(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)出版社專著《植物電生理信息檢測原理及應(yīng)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(xué)特征，探討植物電生理信息檢測技術(shù)。第二章，研究植物電生理信息對水分變化的響應(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，研究植物對低營養(yǎng)的響應(yīng)，探討植物的主動和被動轉(zhuǎn)輸能力的定量檢測，以及植物耐低營養(yǎng)能力和營養(yǎng)利用效率的檢測方法。第四章，研究植物對鹽分逆境的響應(yīng)，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(yīng)用。第五章，研究了植物電生理對病害的響應(yīng)；探索植物電生理信息在植物抗病能力檢測中的應(yīng)用。第六章，研究植物對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。第七章，研究電生理信號的晝夜節(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，生物體內(nèi)的物理過程和化學(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)行能量儲存與轉(zhuǎn)換，驅(qū)動著生物代謝。將細(xì)胞中這些電子元件的能量儲存與轉(zhuǎn)換過程與物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)和代謝過程偶聯(lián)起來，對物理學(xué)家和生物學(xué)家來說都是一個巨大的挑戰(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，但這些植物電信號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養(yǎng)動力學(xué)過程，也不能偶聯(lián)能量儲存和轉(zhuǎn)換過程與物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)和代謝過程。

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余件國家發(fā)明專利），植物內(nèi)基于電子能的內(nèi)能變化量可表征生命活動過程。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)對細(xì)胞內(nèi)能量變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測分析，建立50余項(xiàng)細(xì)胞調(diào)控動力學(xué)指標(biāo)，系統(tǒng)解析植物生長發(fā)育及功能形成的生命過程機(jī)制，創(chuàng)新地解決了能量存儲轉(zhuǎn)換與物質(zhì)運(yùn)輸代謝耦合難題。

為什么說解決了能量存儲轉(zhuǎn)換與物質(zhì)運(yùn)輸代謝耦合問題，就為認(rèn)識植物生命活動規(guī)律打開了新窗口呢？那是因?yàn)槟芰看鎯�轉(zhuǎn)換是生命活動的驅(qū)動力和核心過程。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，能量與資源持續(xù)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(xì)胞能量與資源代謝過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)動與脅迫下，植物基因池的基因在植物生命過程中的表達(dá)是持續(xù)波動的（圖四）。那么，如果能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測能量和資源在代謝網(wǎng)絡(luò)中的流動能力，就可以追溯植物運(yùn)行活動中包括基因表達(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量與表征能量與資源五大類50余個流動性能力指標(biāo)（圖六），這五大類50余個流動性能力指標(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)解析植物生長發(fā)育及功能形成的生命過程機(jī)制，為科學(xué)家認(rèn)識植物生命活動規(guī)律打開了新窗口（圖九）。


植物生命分析儀構(gòu)建了全球首個植物過程和能量動態(tài)實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)平臺。該平臺為科研工作者提供以下核心功能服務(wù)：1）植物生命活動監(jiān)測系統(tǒng)：通過實(shí)時(shí)、無損的在線監(jiān)測技術(shù)，動態(tài)獲取植物生理活動與能量轉(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)建評估模型，系統(tǒng)性解析植物健康水平、生長動態(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（基因-細(xì)胞-植株）生長調(diào)控機(jī)制的可視化定量研究。4）科研應(yīng)用支撐平臺：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：通過育種過程可視化、智能栽培決策系統(tǒng)及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(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，水稻蟲害與修復(fù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，小麥多品種全生命周期高產(chǎn)性、抗旱性和適應(yīng)性在線測評，大豆品種高產(chǎn)性、優(yōu)質(zhì)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(chǎn)性、抗旱性和適應(yīng)性在線測評等作物生命信息在線感知領(lǐng)域進(jìn)行了一系列開創(chuàng)性研究。

植物生命分析儀在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林大學(xué)、中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所、中國科學(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實(shí)時(shí)監(jiān)測能量與資源的動態(tài)流動，為揭示植物生長發(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植物生命活動規(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)展注入了新的動力。未來，隨著植物生命分析儀及其大數(shù)據(jù)平臺的進(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)對氣候變化、資源短缺等挑戰(zhàn)，推動農(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，也為人類探索生命奧秘、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化開辟了嶄新篇章。