背景介绍精准农业在应对政治和环境问题以及人口增长带来的粮食安全挑战方面显示出了希望。然而，农业机器人和自动化方面进展缓慢，可能会推迟其全部潜力的实现。精准农业技术的进步对于实现在整个生产过程中对每种食品进行控制和跟踪的目标至关重要。这一进步可以通过最大限度地减少不必要的资源、化肥和农药的使用来帮助实现环境安全和经济可持续性。目前的精准农业技术可以根据表型水平和测量范围进行分类。例如，远程表型分析应用可用于检测虫害和杂草、预测产量、以及评估植物、土壤和环境条件。然而，这种方法在特异性、准确性和生物学细节方面仍然有限。相比之下，基于接触的表型分析通过植物可穿戴设备和用于应力检测、荧光和成熟度评估的机器人抓手实现了更精确和局部化的测量。尽管这种方法提供了更多的细节，但其有效性受到可用生物标志物数量的限制。
同时，体内表型分析利用了可注射的植物生物工程技术，如用于内表型分析的基因工程或作为生物传感器的纳米颗粒，用于监测生理变化。将纳米技术和遗传学结合起来，就有可能利用和改造植物，创造出最终碳负性的生物杂交种。叶面给药在体内表型分析和精准农业中发挥着至关重要的作用，它能够高效地将农药、纳米颗粒和遗传物质直接、局部地应用于植物组织。与基于土壤的输送不同，基于土壤的输送会导致养分流失和环境污染，而叶片渗透则确保了以最小的浪费进行有针对性的处理。例如，使用荧光蛋白的活细胞成像使得拟南芥（Arabidopsis thaliana）中的损伤信号通路可视化成为可能。Leuzinger等人使用根癌土壤杆菌作为在烟草（Nicotiana benthamiana）中瞬时表达绿色荧光蛋白的叶递送机制。类似地，He等引入了RUBY基因，该基因产生红宝石色色素，作为转基因植物的肉眼视觉报告基因。除了基因工程，叶面施药还能实现真实的生理监测。Jain等人使用水凝胶纳米颗粒（AquaDust）连续跟踪玉米（Zea mays L.）中的叶水势（ψ）。此外，纳米颗粒可以扩展植物的功能性；Wong等人证明了工程菠菜植物（菠菜）可以探测爆炸分子，发射红外信号，很容易被智能手机摄像头截获。尽管它们有希望，但由于叶片渗透抗性的三个关键挑战，叶片递送方法尚未充分发挥其潜力（图1B）。一个主要因素是气孔孔径[a（以微米计）]，即调节蒸腾作用和二氧化碳（CO2）吸收的叶片中的孔开口。植物根据光照、干旱胁迫和湿度将其调节在0至20 μm之间，这可能会限制叶面输送。另一个挑战是疏水性，由叶片的蜡质角质层和气孔驱动。这种特性排斥水，减少微生物生长，但产生阻碍渗透的毛细管应力。第三个挑战是异质性，由分隔细胞间空气空间的束鞘延伸（BSE）定义。异质性减少微生物传播，增强机械稳定性，并可以限制渗透液体运动。许多模式植物，包括向日葵，大豆，棉花和野生番茄，表现出异质性，这可以通过提高对干旱和风的抵抗力来提高生存率；然而，遗传修饰可以最大限度地减少BSE和这种特性。目前的叶面给药方法包括自发渗透、真空室和无针头注射器。自发渗透受到叶疏水性的限制，表面活性剂可以减少，尽管仅在低浓度下防止细胞膜损伤。强制渗透方法，如真空渗透，可以通过去除质外体中的气穴并用异压叶中的液体代替它们来更有效。然而，这种方法需要将叶片浸没在液体中，限制了便携性和对注射区域的控制，并导致片状浸润。这会影响体内表型，例如农杆菌渗透，其中高物质分布对于克服免疫反应和确保感染至关重要，或AquaDust注射，其中较低的密度降低荧光强度。无针头注射器方法虽然会损伤注射部位，但却是通过具有相互连通的气隙的等压叶输送物质的最实用方法。Koman等人表明，自动化这种方法可以提高可靠性，并支持植物纳米仿生学。然而，在中度至高度异压叶，其有效性降低，因为伤害往往超过蔓延面积。本文亮点1. 本工作开发了一种软的机器人叶片抓取器和冲压注射方法，以改善纳米级合成和生物探针的叶片输送。这允许非破坏性的、原位的、多物种应用。2. 本工作使用了两个探头：携带RUBY基因的根癌农杆菌作为植物转化的报告系统和用于测量叶水势（ψ）的纳米颗粒水凝胶。与传统设计相比，本工作的沙漏形设计使夹持器能够施加更大的力，同时减少径向扩张，注射成功率达到91%以上。3. 向日葵的研究选用陆地棉（Gossypium hirsutum L…）结果表明，与无针注射器法相比，本工作实现了渗透面积平均增加12倍，叶片损伤显著减少-向日葵为3.6%，棉花为0。图文解析图1. 使用叶片夹持器进行自动叶片输送。(A)机械臂演示：（i）用机械手定位，（ii）用液体泵自动注射准备，（iii）通过空气泵冲压进行叶片输送，以及（iv）释放叶片并显示渗透区域。比例尺，5 cm。(B)叶横截面和渗透阻力机制：（i）小气孔开度，（ii）疏水表面，（iii）异质性。©比较所提出的方法与基准叶面输送方法：真空室，喷雾，无针注射器。尽管剪切力有时会导致撕裂，但通常安全，特别是在异重叶中。

图2. 叶片夹持器的表征。(A)海绵和垫片组件的设计选择以及软致动器与刚性致动器的比较。刻度尺，1厘米。(B)初始扁平设计与优化设计在接触力为100 N的伸展过程中的比较。初始设计表明径向位移过大，SF远低于1，表明性能不足。相比之下，优化设计实现了1.4的安全系数，大大减少了径向位移。带尺寸的横截面图显示参数化设计的三个输入参数，突出显示优化值。其余三个等值线图描绘了执行100 N输出和25 mm伸长的设计的输入参数和SF之间的关系。©基于气压的自由伸长行为。数据表示为平均值± SD，n = 3个生物学重复。(D)修正了基于气压的阻挡力行为。数据表示为平均值± SD，n = 3个生物学重复。(E)与文献中其他线性软致动器的性能比较（35-40）。(F)冲压注射过程中的力分布。来自表征测试的每个数据点由来自三个不同致动器的复制品组成。虚线表示平均贴靠力，灰色阴影区域表示±1 SD。

图3. 叶递送的表征。(A)比较三种生长条件（GC 1，GC 2和GC 3），每种条件下有三株向日葵，基于相对湿度，环境光，温度和gs。GC 1具有最低的gs和湿度范围。与GC1和GC3中的生长室相比，GC2（温室环境）的gs变化最大。数据表示为平均值± SD，n = 27个生物学重复。(B)在FS = 40、60和80 N下，使用注射器注射与拟定方法注射相比，向日葵植物的渗透和受伤区域。数据以平均值± SD表示，n = 9个生物重复。标有“n.s.”的条。表明除注射器法外，组间无统计学显著差异（P > 0.05，ANOVA和Tukey检验）。AEFF或非损伤浸润面积并不随AEFF的增加而增加。©在分析AEFF与各种因素如湿度、光照、FS和温度之间的相关性后，发现gs与AEFF具有最高的相关系数（r = 0.68），基于81次注射。(D)进一步分析在FS = 40 N的GC 2中棉花植物的注射面积和gs关于一天中的时间的行为。数据表示为平均值± SD，n = 3个生物学重复。(E)所提出的方法再次表明，棉花植株的AEFF和FS增加之间没有显着的关系。数据表示为平均值± SD，n = 4个生物学重复。标有不同字母的条（n.s.）表明除注射器法外，组间无统计学显著差异（P > 0.05，ANOVA和Tukey检验）。

图4. AquaDust应用于叶片夹持器的纳米颗粒输送。(A)水尘的简化机制显示了其作为纳米传感器的功能，以测量植物和环境水分胁迫注射后。(B)注射AquaDust的共聚焦显微镜图像显示来自叶绿体的红色荧光，用于定位细胞，而黄色荧光代表AquaDust的受体染料（RH）。滤除叶绿体荧光后的暗区表明，AquaDust主要积聚在细胞膜上，细胞内基本不存在，表明细胞壁在注射期间保持完好。比例尺，20 μm。©用于水尘传感的植物的归一化荧光强度光谱，显示湿信号和干信号。光谱显示激发，OG（供体），RH（受体）和叶绿体区域。RH峰增加，反映了随着植物干燥，FRET活性更高。(D)goxz和水分状况之间的关系，以模拟植物的蒸腾行为（51）。数据表示为平均值± SD，n = 3个生物学重复。用不同字母（a和B）标记的条表示组间的统计学显著差异（P < 0.05，ANOVA和Tukey检验）。

图5. 农杆菌渗透法在叶片夹持器基因传递中的应用。(A)农杆菌渗入法在植物瞬时基因表达中的简化机制。编码CYP 76 AD 1、多达和GT的RUBY报告系统通常显示长达8周的瞬时活性，而作为视觉报告物的甜菜色素积累在1周内达到峰值并在植物中保持可见。(B)向日葵植株中甜菜色素随时间积累的图片。刻度尺，1厘米。©在这项研究中，随着时间的推移，农业渗透向日葵叶片的反射率，透射率和吸收光谱的轮廓进行了测量。基于文献在538 nm处的吸光度测量用于定量甜菜色素。根据文献，叶片反射率值的红-绿绿色比对应于650和550 nm。数据表示为平均值± SD，n = 3个生物学重复。用不同字母（a、B和c）标记的条表示组间的统计学显著差异（P < 0.05，ANOVA和Tukey检验）。(D)农杆菌渗入后多达在向日葵叶片中的表达。数据表示为平均值± SD，n = 3个生物学重复。用不同字母（a、B、c、d和e）标记的条表示组之间的统计学显著差异（P < 0.05，ANOVA和Tukey检验）。