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传粉技术哪家强？肥皂泡泡能帮忙

花匠小妙招
2024-11-14 02:48

原创王强 CellPress细胞科学来自专辑Cell Press青促会述评、

交叉科学

Interdisciplinary

作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

第十一期专栏文章，由中国科学院植物研究所副研究员、中国科学院青年创新促进会会员王强，就 iScience 中的论文发表述评。

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传粉，对于有花植物而言，是指成熟的花粉从雄蕊的花药散出并传递到雌蕊柱头上的过程。这一过程看似不起眼，却是有花植物世界中最重要的一项生殖活动，不仅事关下一代的“健康成长”，而且关系到我们美丽的地球家园的“可持续发展”。除去一些自花传粉的物种，异花传粉的植物通常需要借助传粉媒介的帮助来完成传粉的过程。有花植物的传粉方式多种多样：有的借助风力传送花粉，如杨树，桦树等；有的借助水力传送花粉，如金鱼藻、水鳖等水生植物；更多的植物则是借助动物，特别是昆虫进行传粉。

在传粉的昆虫中，蜜蜂是绝对的网红，妥妥的勤劳、奉献的人设（虫设）。养蜂业自身的产值也许并不算大，但它对主要经济作物的增产贡献却是无法估量的。当前，全球约四分之三的作物依靠蜂类或其他昆虫传粉。然而，杀虫剂的使用、土地开垦以及气候变化，造成了传粉昆虫数量锐减，威胁到粮食安全。虽然人工授粉能够解决一些问题，但这种方式费时费力，效率低下。机器喷射花粉比人工授粉更加快捷，但其有效授粉率很低，花粉被大量浪费，成本也相应上升。问题来了：能不能找到一种价廉物美，简单高效的方法来辅助植物传粉呢？

一个魔幻的场景出现了：一群天真烂漫的孩子，每人手持一个肥皂泡泡机，冲进田间地头玩泡泡，不一会儿的功夫，孩子们泡泡玩够了，植物传粉的工作也完成了。听起来是不是特别不可思议，像是格林童话？不，这可能是真的。近期Cell Press细胞出版社旗下开放获取期刊 iScience 报道了来自日本北陆先端科学技术大学院大学（JAIST）Eijiro Miyako团队的创新技术——肥皂泡传粉技术，只是这项技术不需要孩子们参与，而是采用无人机来吹泡泡。

可能大家不太好理解，肥皂泡不是拿来玩的么？怎么还能传粉？这是因为肥皂泡具有天然的薄膜几何结构，拥有稳定的可以溶解花粉的液膜，同时还有极大的授粉表面积（相对于花朵）。肥皂泡质量轻，柔软韧性好，直接喷射不会对花造成机械损伤。此外，肥皂泡环保易降解，成本还特别低。所有这些特性似乎表明肥皂泡就是为传粉而生。说实话，笔者也实在想不出比肥皂泡更好的传粉工具了。

▲图1 肥皂泡介导授粉离体实验

当然，该研究使用的肥皂泡与大家通常玩的肥皂泡并不一样，而是添加了特殊的表面活性剂，并把花粉溶解其中。在肥皂泡离体授粉实验中（图1），作者试验了多种不同的表面活性剂，包括月桂酰胺丙基甜菜碱，聚氧乙烯十二烷基醚硫酸钠，十二烷基羟基磺基甜菜碱，聚氧乙烯烷基醚硫酸钠，以及一种乙二胺。比较分析结果显示，月桂酰胺丙基甜菜碱相比其他表面活性剂的表现更好，这种表面活性剂具有更高的肥皂泡形成能力，而且其携带的花粉在萌发和花粉管生长等方面都有更好的表现。

选出合适的肥皂泡，接下来就是与传统人工授粉比拼实操了。研究人员选取了果园中的梨树作为实验对象，结果发现相比人工授粉等其他传统授粉方式，肥皂泡授粉的花粉表现出了更高的活性（图2）。肥皂泡授粉不仅行之有效，还能降低劳动成本和花粉成本。

▲图2 肥皂泡介导授粉与其他授粉方式的野外对比实验

最后，运输泡泡的大杀器——无人机闪亮登场，但是无人机实在是“太拉风”啦，螺旋桨常常会对肥皂泡的稳定性造成影响。为解决这一问题，研究人员在肥皂液中加入了2%的羟丙基甲基纤维素（HPMC）来增强泡泡的机械稳定性。结果惊喜的发现肥皂泡的稳定性显著提高，能够抵挡无人机螺旋桨的影响，而其携带的花粉活性以及授粉成功率也能得到保证（图3）。

至此，一种全新的植物授粉技术成型了。挂载肥皂泡泡机的无人机不仅能成功的对植物进行授粉，而且相较人工授粉等其他授粉方式有很多的优势，完全可以解决当前植物授粉中面临的主要难题！当然，研究人员并没有就此满足，他们还对这项技术提出了进一步的改良设想，如寻找生态友好型，甚至可食用的表面活性剂来替代当前的月桂酰胺丙基甜菜碱。而在精准自动授粉机器人研发方面，作者也从机器人定位及制图、视觉感知、路径规划、运动控制和操作技术等方面进行了展望。

▲图3 搭载无人机的稳定化肥皂泡授粉测试

用“过家家”的方式轻松解决人类社会面临的大问题，这就是科学的魅力。感慨于研究人员独辟蹊径的同时，笔者也想班门弄斧，提出两条补充建议：

不妨给无人机挂载“分导式”花粉泡泡机，一次挂载更多种类的花粉，这样就可以同时为几十种甚至上百种植物授粉，不但可以应用于农作物授粉，甚至还可以应用于野生植物的人工繁育保护。

配合“分导式”泡泡机，给无人机安装人工智能植物识别软件（如当前已经取得不错效果的“花伴侣”植物识别APP）。无人机访问不同植物时，就可以首先采用识别软件对植物进行准确鉴定，然后引导泡泡机配送对应物种的花粉泡泡，达到高效精准授粉的目的。

论文摘要

自然授粉或人工授粉是有花植物生命周期中至关重要的环节。当前，全球传粉昆虫数量不断减少、人工授粉劳动繁重，花粉成本不断上升，这些都成为有花植物授粉面临的世界性难题。在本研究中，我们展示了一种化学功能型肥皂泡，这种肥皂泡具有特殊的粘性、柔软性、高柔韧性，以及增强花粉活性的作用，因此能够方便有效地将花粉粒输送到靶向花朵的柱头上。通过研究肥皂泡的物理化学性质，我们还制备出了能够承受无人机螺旋桨运动的具有机械稳定性的肥皂泡。这让无人机挂载肥皂泡泡机自动授粉成为了现实。这项自动智能机器人授粉技术必将激发创新型农业系统，并由此解决全球有花植物授粉问题。

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.

中文内容仅供参考，请以英文原文为准

评述人简介

王强

中国科学院植物研究所副研究员

中国科学院青年创新促进会会员

wangqiang@ibcas.ac.cn

王强，中国科学院植物研究所副研究员，中国科学院青年创新促进会会员。主要从事唇形科、桔梗科植物分类与系统进化研究。

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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