Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật máy tính: Nghiên cứu hệ thống ghi nhận tín hiệu điện sinh lý ở cây trồng

Mục tiêu của phân tích các thành phần trong các hệ thống mạch giám sát dùng để ghi nhận tín hiệu điện sinh lý ở cây trồng, kỹ thuật để ghi nhận tín hiệu điện sinh lý ở cây trồng.. Nghiên

Tính cần thiết của đề tài

Vấn đề môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng, và đang gây ra những tác động không chỉ đốivới cuộc sống củachúng ta mà còn ảnhhưởng đếnsức khỏe của hệ sinhthái toàn cầu Ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước, sự mất rừng và biến đổi khí hậu chỉ là một phần nhỏ củanhững vấn đềmà chúng ta đangđối mặt Ônhiễm khôngkhí đe dọa sức khỏecủa hàng triệungười trên toàn thếgiới mỗi năm, gây ra các vấn đề từ việc hô hấp đến các vấn đề hô hấp nghiêm trọng như hen suyễn và ung thư phổi Nước ngầm và sông suối bị ô nhiễm bởi chất thải công nghiệp và hóachất từ nôngnghiệp, ảnhhưởng đến nguồnnước sạch vàđời sống của hàng triệu người dân Và một trong những hậu quả đáng lo ngại là xuất hiện mầm bệnh ở câytrồng và phá hủy hệ sinh thái Đây là vấnđề nghiêm trọng, đặc biệt đối với ngành nôngnghiệp và sự pháttriển của hệ sinhthái tựnhiên Ô nhiễm từ khí thải côngnghiệp và giao thông, cũng như từ việc sử dụng hóa chất trong nông nghiệp, tạo ra môi trường không thuận lợi cho sự phát triển của cây trồngvà câyrừng Các chấtđộc hạitrong khôngkhí và nướccó thể làmsuy yếuhệ miễn dịchcủa cây, làmcho chúng trở nên dễ bịtấn công bởi vikhuẩn, nấm và côntrùng gây hại Mầmbệnh câycó thể lanrộng nhanhchóng, gây rasự suygiảm năngsuất và thậm chí là tiêuhủy hoàn toàn cáckhu vực trồngtrọt Điều này khôngchỉ ảnh hưởng đếnnền kinhtế mà còn làm suy yếu nguồn lương thực và đe dọa sự đa dạng sinh học Trước những thayđổi do biếnđổi khí hậu và ô nhiễmgây ra chúng tacũng có những phương pháp hạn chế tối đa sự phát triển của mầm bệnh cây như nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố trong môi trường đến tín hiệu điện ở cây trồng, từ đó sử dụng cây trồng như một cảm biến

Làm rõ cơ chế truyền tải tín hiệu điện trong cây trồng đóng vai trò quan trọng nắm được về các kích thích từ môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, và sự tấn công của côn trùng; giúp hiểu rõ về các phản ứng sinh học cây trồng để điều chỉnh sự phát triển, sinh trưởng và phản ứng phòng thủ của chúng

2 Đối với lĩnh vực giám sát môi trường, việc ghi nhận và nắm rõ sự thay đổi trong tín hiệu điện của cây trồng không chỉ giúp chúng ta phát hiện được hành vi, phản ứng của cây trồng với môi trường để đánh giá sức sức khỏe của hệ sinh thái, kịp thời ứng phó với các sự cố môi trường như cháy rừng, hạn hán, xâm nhập mặn, Đối với lĩnh vực giám sát nông nghiệp, bằng cách theo dõi sự thay đổi trong tín hiệu điện của cây trồng, người nông dân có thể nắm bắt được sức khỏe của cây trồng và phát hiện sớm bất kỳ dấu hiệu nào của mầm bệnh, từ đó đưa ra các biện pháp can thiệp kịp thời như việc sử dụng thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm Từ đó cóthểtối ưu hóa việcsử dụng cácphương pháp điều trị và giảm thiểuviệc sử dụng hóachất có hại, từđó bảo vệ cả môi trường và sức khỏe của con người

Trong bối cảnh thách thức từ biếnđổi khí hậu do ô nhiễm môi trường ngàycàng trở nên nghiêm trọng, việc nắm bắt được hành vi của cây trồng thông qua các tín hiệu điện không chỉ là một cách tiếp cận hiệu quả mà còn là bước đi quan trọng trong việc bảo vệ môi trường, ứng phó với thiên tai và bền vững hóa nền nông nghiệp.

Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Nghiên cứu trong nước Ở ViệtNam,cảmbiếncây trồngchưa được áp dụngtrong lĩnh vựcnôngnghiệp và giámsátmôi trường Trong nông nghiệp,việcgiám sátmôi trườngđược triển khai nhưngvẫn chỉ mớidừng lại ởviệc dùng cáccảm biếnđiện tử truyềnthốngnhư cảmbiến pH,cảm biến độẩm đất, cảm biến theo dõinhiệt độ, độ ẩm, Tương tự trong đối với lĩnh vực giámsát môi trườngvới các cảmbiến nhiệt độ, theodõi chất lượngkhông khí, theodõi lượng mưa, Việcnghiên cứu về lĩnh vực theo dõitín hiệu điệnsinh lý ở cây trồng là mộtlĩnh vựcmớimẻ Bằng chứng làkhó có thể tìm được cái bài báohay các nghiên cứuvề theo dõiphảnứngcủacâytrồng bằng cách theo dõitínhiệuđiệnsinhlý ở chúng

Việc thu thập thông tin từ cây trồng để theo dõi và đo lường nhiều yếu tố quan trọng như độ ẩm đất, nồng độ dinh dưỡng trong đất, nhiệt độ và độ ẩm không khí, cũng như các chỉ số khác liên quan đến sức khỏe của cây trồng Thông qua việc thu thập dữ liệu liên tục từ các cảm biến cây trồng, những người làm nông nghiệp có thể tạo ra biểu

3 đồ và báo cáo về tình trạng của vườn cây, từ đó đưa ra các quyết định can thiệp kịp thời để bảo vệ và tối ưu hóa sự phát triển của cây trồng

Mặc dù việc áp dụng cảm biến cây trồng ở Việt Nam còn là lĩnh vực mới mẻ nhưng tiềm năng của công nghệ này rất lớn và phù hợp với các nước mạnh về nông nghiệp như Việt Nam

1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước Ở nướcngoài việc ghinhận tínhiệuđiện từ câytrồng vàsử dụng câytrồngnhư cảmđangđượcnghiêncứuvàpháttriển Các nghiêncứuvề việc sớmpháthiện các dấu hiệucăngthẳng ở câytrồng, giúpngườilàm nôngcan thiệp kịp thờiđểbảo vệmùa vụ củamình Các nhà khoahọc tại MIT và Temasek Life Sciences Laboratory đã phát triển các cảmbiến nanocókhảnăngphát hiện hydrogenperoxide và axit salicylic, các chất đượccâysử dụngđểphản ứng vớistressnhưnhiệt độ cao, ánh sáng mạnh, côn trùngtấn côngvà nhiễm khuẩn Các cảm biến nàyđược ứng dụng bằng cáchhòatantrongdung dịch và bôi lên mặt dưới lá cây, cho phépphát hiện tín hiệu bằng camera hồng ngoại Điềunày giúp người làm nôngcó thểphát hiệnsớm các dấu hiệucăng thẳng ở cây trồng vàcóbiệnphápcanthiệpkịp thời [1]

Ngoài ra còn cóhệthốngcảmbiếnRaman di động đượcpháttriểnbởi nhóm các nhàkhoa họctừMIT và các đối tác tại Singaporelà một bước tiến đột phátrong công nghệgiámsátcâytrồng Thiết bịnày sử dụngmột cảm biếnđược thiết kếđể gắn vào lá cây, giúpđo lường nhanh chóngvà chính xác mứcđộ căng thẳngcủa cây Cáccảm biến nàysẽ hỗ trợ người làm nông tối ưu hóa sản xuất cây trồng, đồng thời giảmthiểu tác độngtiêu cực đếnmôi trường [2]

Mục tiêu của đề tài

- Tóm tắt và phân tích các phát hiện từ những nghiên cứu về hệ thống ghi nhận tín hiệu điện sinh lý của cây trồng Cung cấp cho người đọc một cái nhìn toàn diện và đa chiều về đề tài này

- Nghiên cứu phản ứng và quá trình biến đổi tín hiệu điện sinh lý của cây trồng khi phản ứng với các yếu tố kích thích từ môi trường từ môi trường

- Phân tích và đánh giá sự thay đổi trong các tín hiệu sinh lý khi thực vật chịu tác động của các điều kiện môi trường khác nhau

- Thu thập và phân tích các kết quả từ các báo cáo nghiên cứu trước đó để tạo nên một cái nhìn tổng thể về các hệ thống ghi nhận tín hiệu điện sinh lý cây trồng.

Giới hạn đề tài

- Nghiên cứu tập trungvào một vài loại cây trồng cụ thể, không mang tính đại diện cho tất cả các loài cậy

- Chỉ xem xét một vài yếu tố môitrường chính, không bao gồm tất cả các yếu tố gây ảnh hưởng

- Việctriển khai vàthử nghiệm cácghi nhận tín hiệu điện của cây chỉ được thực hiện tạicác khu vực nghiên cứu cụ thể

- Kết quảphân tích vàđánh giá sẽdựa trên cácgiả định vàmô hình nhấtđịnh, có thểkhông hoàn toànphản ánh đượcsự phức tạpcủacác quá trìnhsinh lý trongcây trồng.

Các bước tiến hành

- Nghiên cứu cơsở lý thuyết về điện sinh lý thực ởcây trồng, các cơ chế liên quan đến sự biếnđổi trong tín hiệu điệnsinh lý ở cây trồng, tiềm nănghành vi cây trồng đối với môitrường

- Tìm kiếm, thuthập và nghiên cứucác báo cáonghiên cứu khoahọc của các tác giả đi trước về mạch ghinhận tín hiệuđiện sinh lý phát hiện tiềmnăng hành vi ở cây trồng

- Phân tích, đánh giá kết quả ghi nhận ở các mô hình ghi nhận tín hiệu điện sinh lý ở cây trồng.

Tính thực tiễn

Thực vật hay câytrồngcó khả năng cảm nhậnsựthay đổicủa môi trường xung quanhvà tự động điềuchỉnhvàthích nghi với sựthay đổi Năng lượngđiệnsinh lý được tạorakhi cây xử lýthôngtinvàchịuảnh hưởng từ môitrường hay từhoạt động của cây Nếu hiểu rõđược mối quanhệ giữa sự thayđổi môi trường và sự thay đổi tín hiệu điện sinh lý của câytrồng thì lúc đócó thể dụng câytrồng như mộtcảm biến để thu thập dữ liệu thông tinvề môi trường xungquanh

Việc giải mãđược quá trình nhậnthức tự nhiêncủa cây trồngcó tiềm năngcực kì to lớnđối với việcphát triển vàtăng hiệu suấtcho nền nôngnghiệp Khí hậucó liên quan trực tiếpđến môi trườngxung quanh, nôngnghiệp… Việc giảimãquátrình nhận thức tựnhiêncủacây trồng có tiềmnăng ứng dụng trong một sốlĩnh vực nhưgiám sát

5 môitrường, nông nghiệpvàlâmnghiệp Một trong nhữngứngdụngtiềmnăngcủaviệc giải mãquá trình nhận thức ở cây trồnglà phát hiện các bệnhở cây, các tác nhân gây bệnhnhưvikhuẩn, nấm và nắm rõ sức khỏe của câythông qua sựthay đổi trong tín hiệu điệnvề các phảnứng của câytrồng vớicác tác nhân gâybệnhkhác nhau Từ đócó thể phát triểncác giống câytrồng cả khảnăng chống chịu với bệnh tậttốt hơn.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sửdụng các phươngpháp sau:

- Thu thậpvà nghiên cứu tàiliệu, luận văn, bài báo về chủ đề liên quan baogồm việc sử dụngcác phương pháptìm kiếm trực tuyếnvà thư viện số, tham khảo cáccơ sở dữliệu học thuật, đọc và tổchức tài liệu từcác nguồn đángtin cậy

- Phân loạivà hệ thống hóalý thuyết thường đượcthực hiện bằngcách đánh giá và phân tích các tài liệu, luận văn, và bàibáo đã thuthập Các lý thuyếtđược nhóm lại theo các chủ đề, và một hệthống phân loại được thiết lập để hiểu rõsự tươngquan và liên kếtgiữa các khái niệm

- Phương pháp phântích và tổng hợp các thôngtin và dữ liệuthu thập được từcác nguồnkhác nhau Cácphương pháp phân tíchbao gồm phântíchnội dung, phân tíchso sánh, và phân tíchthống kê Kết quảcủa các phântích này sauđó được tổnghợp và trình bàymột cách logic vàcó tổ chức.

Nội dung đề tài

Nội dung của đề tài gồm 5 chương:

Trong chươngnày trình bày một cái nhìn tổng quan về đề tài nghiên cứu, bao gồmlĩnh vực nghiên cứu cụ thể, mục tiêunghiên cứu vàcác công trìnhnghiên cứuliên quan đã được thựchiện.

Tổng quan điện tâm đồ

Điện tâm đồ (hay còn gọi ECG) là mộtkỹ thuật ghinhận tín hiệukhông xâm lấn được sửdụng để ghi lại hoạtđộng điện của tim ở độngvậtvà con người, tín hiệuđiện ECG đượcmô tảnhư Hình 2.1 bên dưới Tuy nhiên, khi nóiđến thực vật tứcnhững sinh vật sống khôngcó hệ thốngtim mạch vàsự tuần hoàn máu giống nhưcon người và các loài động vật Khái niệmnày được sử dụngđể đề cập đếnviệc đo lường cáctín hiệu điện từ hoạtđộng sinh lý củacây trồng hay còngọi là điện thếhoạt động hay điệnthế màng Việc nghiên cứu về điện sinh học trong thực vật thường liên quan đến các hiện tượng như truyền tải hay lan truyền tín hiệu điện trong cây và phản ứng củacây với các kích thích từmôi trường xungquanh hay chínhcơ chế sinhhọcbên trong tếbàocủa thực vật

Hình 2 1: Minh họa về tín hiệu ECG [3]

Nhiều nghiêncứu trước đây chỉra rằng thực vật haycâytrồng có thểtạora các tín hiệuđiện trongquá trình sinhtrưởng vàphản ứng với cácyếutố như ánhsáng, nước vànhiệtđộ Các tínhiệunày có thểđược ghi lạivà phântích tương tựnhư ECG ở người vàcác loài động vật Tuynhiên, đối vớithực vật việc nghiêncứu này thườngliên quan đến lĩnhvực của điện sinhhọc hay điện hóa học ở thực vật, thay vì tậptrung vào sự hoạt động của timnhư trong tín hiệu ECGở trong conngười và các loàiloài động vật.

Điện sinh lý thực vật

Điện sinh lý ở thực vật là một lĩnh vựcnghiên cứu tập trung vào việc hiểu rõ và phân tích cáctín hiệu điện màthực vật sử dụng để tự điềuchỉnh và phản ứngvới môi

8 trường Khác với động vật, thực vật không có hệ thần kinh, nhưng chúng vẫn có khả năngtruyền tải thông tin nội bào và liên bào thông qua các tín hiệu điện hóa học hay sinh học

Dưới đâylà một sốkhía cạnh chothấy vai tròcủa điện sinhlý ở thực vật:

- Kali (hay ion K + ) làmchất dẫn truyềnchính: kali là ionchủyếu tham gia vàoviệc duytrì và điều chỉnhđiệnthếmàngtếbào Sự phânbốkhôngđồngđều củaion kali giữa bên trong và bênngoài màng tếbào tạo rađiệnthếnghỉ Khi thực vật phảnứngvớicác kích thích, sự dichuyểncủaionkaliquakênh ion trong màng tế bào gâyra sự thayđổi nhanh chóng củađiệnthế màng, gọilàđiệnthếhoạt động

- Dẫn truyền xung điện: Tươngtự như hệ thốngthần kinh trongđộngvật, thực vật cũngcó các cơ chếdẫntruyềnxungđiện Các xung điệnnàycóthểđược tạo ra bởi các biến đổi vềđiện thế trênmàng tế bào, thườnglà do sựmở hoặc đóngcáckênh ion

- Tính chất điện hóa của màngtế bào: Màng tế bào (hay màng plasma) đóng vai trò quantrọngtrongviệcduytrìtínhtoànvẹnvà chức năng của tế bào Một trong những đặc điểm quan trọng của màngtế bào là tínhchất điện hóa, liênquan đến sự phân bốvà di chuyển củacác ion quamàng

- Sự phảnứng với ánhsáng: Quá trìnhquang hợp trongthực vật khôngchỉ dựa vào sự hấp thụnăng lượng từánh sáng màcòn liên quan đến các phảnứng điện hóa Cáctế bào lá thựcvậtcóthểtạora điện thế màngkhihấpthụánh sáng

- Tính chấtđiệnhóacủa dịch tế bào: Các dịchtếbàotrong cây thực vật có thể có cácđặctínhđiện hóa, gópphần vào quátrình truyền tảixung điệnvà cânbằng nước

- Ảnh hưởngcủa điện từ môi trường: Cây trồng cóthể phản ứng với cáctín hiệu điện từ môitrường xung quanh, chẳnghạn như từmưa giông hoặc từ trường từcủa trái đất.

Dòng các kênh ion trong thực vật

Các kênhion làcác proteinđượctích hợpvào màngtếbào đểkiểm soátsự chuyển độngcủaionquamàng Trongthựcvật, cácloạikênhionđóngvaitròquan trọng trong việc tạo ra và điều chỉnhcác tín hiệu điện Cả sựthay đổi củađiện thế màngvàcáctham sốvềlưulượng ion đều cóý nghĩa sinhlý rõ ràng đối vớithực vật như Hình 2 2 dưới đây miêu tả cấu trúc và chức năng của màng tế bào Vídụ khirễ cây bịcăng thẳng hay kích thích do sự hiện diện của muối, lượng ionK + bốchơi liên quantới khả năng chịu

9 muốicủacây trồng Bên cạnhđó, khả năngchịu muối củacây trồng chịumặn có sựliên quan mạnhmẽ đến sựbốc hơi củaion H + Dưới đây làmột số kênhion quantrọng trong thựcvật:

- Kênh ion Na + : Cho phép ion Na + qua màng, có vai trò quan trọng trong quá trình khử cực

- Kênh ion K + : Cho phép ion K + qua màng, quan trọng trong việc duy trì điện thế nghỉ và tái cực

- Kênh ion Ca 2+ : Đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình truyền tín hiệu đến nội bào

- Kênh ion Cl - : Góp phần vào điện thế màng và cân bằng ion

Hình 2 2: Các ion trong màng tế bào của cây [4]

Điện thế màng

Điện thế màng (membrance potential) ở thực vật là sự khác biệt hiệu điện thế giữa hai bên của màng tế bào thực vật và là một trong những thành phần quan trọng trong hoạtđộng tế bào và điềuchỉnh chức năngsinh lý củatế bào, bao gồm truyền tín hiệu, vậnchuyển chất, và duytrì cân bằngnội môi Điện thếmàng hình thànhdo sự phân bố không đềucủa các ion, đặc biệt là natri (Na + ), kali (K + ), canxi (Ca 2+ ), magiê (Mg 2+ ), và ion clorua (Cl - ) giữa bêntrong và bênngoài của tế bào Ảnh hưởngcủa sự phân bố ion đếnđiện thế màngnhư sau:

- Nồng độ ion K + cao hơn bên trong tế bào so với bên ngoài

- Nồng độ Na + cao hơn bên ngoài tế bào so với bên trong

- Nồng độ Cl - cao hơn bên ngoài tế bào so với bên trong

- Nồng độ Ca 2+ bên trong tế bào thấp hơn so với bên ngoài Điện thế màng quyết định sự lưu thông của các chất dinh dưỡng và nước giữa môi trườngbên ngoài và bên trongcủa tế bào, cũng nhưtham giavào nhiều phản ứng sinhhọc khác nhaunhư quá trìnhquang hợp vàtruyền tínhiệu Điện thếmàng thường đượcduy trì thôngqua quátrìnhvận chuyển ionqua màng tếbào, bao gồmsự bơmion, sựdi chuyển ionqua các kênhion và cácquátrình vận chuyển ionkhác Điện thếmàng thay đổicó thểảnhhưởng đến nhiềukhíacạnh của sự sinhtrưởngvà phát triểncủa thực vật Thayđổi điện thế màng cho phép tếbào thực vật phảnứng với các kíchthíchmôi trường nhưánh sáng, nhiệt độ, và stresscơ học

Khả năng duy trì điện thếmàng là một yếu tố quantrọng đối với hiệu suất của câytrồng, đặc biệtlà trong cácđiềukiện môi trường khắc nghiệt nhưmôi trường ngập nước Sự thay đổi trong điện thế màng có thể ảnh hưởng đến quá trìnhhấp thụ năng lượngánh sáng của cây, và do đó ảnhhưởng đến quátrình chuyển hóa năng lượng và sảnxuất sinh học Việccây trồng bịđốt có thểgây ra cácbiến đổitrong điện thếmàng của tếbào cây Sựthay đổi nàycó thể dẫnđến việc tănglưu lượngnăng lượng ánhsáng được hấpthụ, do mộtsố yếu tố nhưtăng cường quátrình quang hợp và tăngcường hấp thụnướcthông qua quátrìnhhấpthụvà cân bằng nướctrongcây Cácnghiêncứu trước đó đã chỉ rarằng sự thay đổi trongđiện thế màng cóthể ảnh hưởng đến khả năng cây trồngchịu được ngập nước Điều này có thểdo sự tăng cường hoặc giảm sútcủa khả năng cây trồng tiếp nhận năng lượng ánh sáng và điều chỉnh quá trình sinh học của chúng.

Cơ sở lý thuyết phản ứng điện tín hiệu của cây với ánh sáng, phản ứng với kích thích và các tác động môi trường khác

Các phươngpháp được đề xuấtđể nghiên cứutín hiệu điệnbao gồm cácphép đo nộibào và ngoại bào Các phép đo nội bào cóthể ghi lại trực tiếp giá trị của điện thế màngtế bào riêng lẻ, trongkhiphép đo ngoại bào ghi lại sự thay đổi điện thế trong một vùng không gian và trong một khoảng thời gian nhất định do hoạt động điện của nhiều tế bào cùng một lúc

Trongsố đó, ở thực vật có ba loại tín hiệu điện khác nhau: điện thế hoạt động (action potential), điệnthếbiếnthiên (variation pontential) và tiềm năngđiệnthế (electic potential) Điện thế hoạt động (action potential) tín hiệu điện nhanh và ngắn, tương tự như ở động vật, xảy ra khi có kích thích Điện thế hoạt động truyền đi dọc theo màng tế bào và thường liên quan đến các phản ứng tức thì, như mở và đóng các kênh ion Điện thế hoạt động đượctạo ra bởicác kích thích khônggây tổnhại (như kíchthích lạnh, cơ học và điện) lan chuyển với vận tốckhông đổi và duy trì biên độ không đổi Sau khi kích thích đạtđến một ngưỡng nhấtđịnh dẫn đến khử cực màng, cường độ kích thích tăng thêm không làm thayđổi biên độ và hìnhdạng của nó Phản ứng là sự khử cựchoàn toàn hoặc không hoàn toàn, lantruyền thụ độngtừ vùng bị kích thích của màng sangvùng không bịkích thích lâncận Điện thế hoạtđộng lan truyềnbằng điện, với sựkhử cực là tác nhânkích thích cho sựlan truyền thụđộng Trongkhi cơ chếion của điện thế hoạt động trongsợi trục độngvật phụ thuộcvào các ionNa + vàoquá trình khử cựcvà các ion

K + thoát rangoài vào quá trìnhtái cực, thìsự kíchthích của tếbào thực vật phụthuộc vào các ionCa 2+ , Cl - và K + Thông tintrong tín hiệuđược truyền đicó thể đượcmã hóa theo hình dạng của một điện thế hoạt động duy nhất được xác định bởi sự đóng góp tươngđối của độ dẫn ionở trạng thái nghỉhoặc theo tần số củanhiều tínhiệu [5] Điện thếbiến thiên (variation potential) là tín hiệu điện thay đổi chậm hơn và kéo dài hơn so với điện thế hoạt động, thường xảy ra khi có tổn thương (như đốt và cắt) hoặc thay đổi môi trường xung quanh Điện thế biến thiên thường liên quan đến các quá trình sinh lý dài hạn và điều hòa các phản ứng của cây đối với các kích thích môi trường Điện thế biến thiên hoặcđiện thế sóng chậmlà các tínhiệu điện lantruyền cũng bao gồm sự thay đổi tạm thờivề điện thế màng (khửcực và tái cực) Sự khácbiệt chính của điệnthế biến thiên nằm ở sự tái phân cực dài hơn, chậmhơn và phạmvi biến đổi lớn Tín hiệu này thay đổi theocườngđộ kích thích, khôngtự tồn tại Được tạo ra bằng cách gây vết thươnghoặc đốt, vàđã được nghiên cứuở nhiều loàithực vật Điện thếbiến thiên được đặc trưng bởi biênđộ và tốc độgiảm khi khoảngcách ngày càng tăng từvị trí bị thương, bởikhả năng đi qua cácvùng mô chếtvà sự phụ thuộc củanó vào sức căng củaxylem Ở độ ẩm bãohòa, khi sức căng củaxylem khôngđáng kể thì điệnthế biến thiên sẽ không đượctạo ra [5]

Tiềm năng điện (electric potential) là sự chênh lệch điện thế giữa hai điểm trong hoặc trên bề mặt của cây Là trạng thái điện thế ổn định hơn, phản ánh sự phân bố ion và hoạt động của các bơm ion trong màng tế bào Tiềm năng điện thế có thể thay đổi khi cây phản ứng với sự thay đổi của các yếu tố môi trường khác nhau như độ ẩm củađất, nước, độ phìnhiêu, ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm không khí.

Quá trình khử cực và và tái cực

Quátrình khử cực (depolarization) làsự thay đổi trongmột tế bào khi tế bào trải quamột sự thay đổitrong phân phối điệntích, dẫn đến điệntích sẽ ítâm (-) hơn trongtế bào Khử cựclà rất cần thiết cho chức năng của nhiềutế bào, cho hoạt động giao tiếp giữa các tế bào và cácquá trình sinh lý tổngthể của mộtsinh vật Điện thế hoạt động (action potential) trongtế bào thầnkinh, cho thấysự khử cực, trongđó điện tích bên trongcủa tế bào trở nênkém âm hơn haydương hơn và tái cực, trongđó điện tích bêntrong trở về giá trịâm hơn Hình 2.3 sau đây mô tả cách mà điện thế hoạt động

Hình 2 3: Quá trình khử cực và tái cực [6]

Hầu hếtcác tế bào trongsinh vật duy trì mộtmôi trường nộibào với tích điện âm hơn nếu so vớiđến bên ngoài củatế bào Sự khácbiệt này được gọilà điện thế màngtế bào Trong quátrình khử cực, điệntích âm ở bêntrong tế bào sẽtạm thời trở nênít âm hơn Sựdịch chuyển từ điện thếâm sang một điện thế dương này xảy ra trong một số quátrình, bao gồmcả điện thếhoạt động Trongđiện thế hoạtđộng, sự khử cực lớn đến mức chênhlệch điện thế trên màng tếbào đảo cựcrất nhanh, lúc này bên trong tế bào lại trở thành tíchđiện dương

Điện thế nghỉ và điện thế hoạt động

2.7.1 Điện thế nghỉ Điện thếnghỉ là điện thếmàng khi tế bào không bịkích thích Tạora do sựchênh lệch giữanồng độ ion giữabên trong vàbên ngoài màng tếbào, bên trongmàng tế bào mangđiện tích âm so vớibên ngoài màngtế bào Điệnthế nghỉ giữ chomôi trườngnội bào ổnđịnh, điều hòacác hoạt động sinhlý của tế bào Giúptế bào luônsẵn sàng đểđáp ứng vớikích thích vàtạo điện thếhoạt động khicần

2.7.2 Điện thế hoạt động Điện thế hoạt độnglà sự thay đổi nhanh chóng vàtạm thời của điện thếmàng khi tế bào bị kích thích đủ mạnh, dẫn đến sự truyền tínhiệu điện trong tế bào ởthực vật Điện thế hoạtđộng cho phép tế bào phản ứng nhanh chóng với các kích thích từ môi trường Cácgiai đoạn củađiện thế hoạtđộng:

- Giaiđoạn khử cực (depolarization): Kíchthích làm mở cáckênh ion Na + , ion Na + dichuyểnvào trong tếbào, làm điện thếmàng trở nên dươnghơn, ít âm hơn

- Giai đoạnđỉnh điện thế (peak): Điệnthế màng đạt giátrị cực đại

- Giai đoạn táicực (repolarization): Kênhion Na + đóng lại, kênhion K + mở ra, K + dichuyển ra ngoài, làmđiện thế màng trởlại âm

- Giai đoạn quácực (hyperpolarization): Điện thếmàng trở nênâm hơn điện thế nghỉ dokênh K + đóng chậm

- Giai đoạnphục hồi (recovery): BơmNa + /K + và cáckênh ion kháckhôi phục điện thế màng vềtrạng tháinghỉ

2.7.3 So sánh điện thế nghỉ và điện thế hoạt động Điện thế nghỉ vàđiện thế hoạtđộng là hai trạngthái quan trọngcủa điện thếmàng tế bào, đóng vaitrò quyết định trong việc duy trìcác chức năngsinh lý cơ bản vàphản ứng với môitrường, Bảng 2-1 sau đây so sánh các điện thế nghỉ và điện thế hoạt động theo các đặc điểm: trạng thái, nguyên nhân, tính ổn định Hiểu rõvề các cơ chế vàvai trò của chúnggiúp giải thích nhiềuquá trình sinh họcphức tạp và ứngdụng vào cáclĩnh vực nôngnghiệp, và sinhhọc môi trường

Bảng 2- 1: Bảng so sánh các điện thế nghỉ và điện thế hoạt động

14 Đặc điểm Điện Thế Nghỉ Điện Thế Hoạt Động

Trạng thái Không kích thích Bị kích thích

Nguyên nhân Do chênh lệch nồng độ ion, kênh ion K + rò rỉ

Mở kênh ion Na + , đóng kênh ion Na + , mở kênh ion K +

Tính ổn định Ổn định Thay đổi nhanh và tạm thời

Vai trò Duy trì sự ổn định của tế bào Truyền tín hiệu điện trong tế bào khi bị kích thích

Stress sinh học và stress không sinh học

Thực vật là sinh vậtmọc cố định, không thể di chuyển như động vật và do đó khôngthể thoát khỏinhững thách thức của môi trường Căngthẳng phi sinhhọc gây ra bởinhân tốvật lý của tráiđất như muối, nước, ánhsáng, nhiệt và lạnh Mỗiloại đều tạo ranhững phản ứngcụ thể ởthực vật cũngnhư kích hoạt mộtsố phản ứngthông thường ở thực vật Cáccăng thẳng phi sinhhọc như hạnhán, nhiễm mặn, ônhiễm không khí và đấtlà mối đe dọanghiêm trọng đối vớicây trồng, dẫnđến sự suy giảmvề sự pháttriển, sản lượnghoặc thậm chí là tử vong Căng thẳng phi sinh họccònlà nguyên nhânchính gây thấtthu trên toàn thếgiới (giảm hơn 50% năngsuất đối vớihầu hết các cây trồng, làmgián đoạn chức năngcủa màng tế bào)

Stress không sinh học là trạng thái căng thẳng của cây trồng do tác động của các yếu tố vật lý và hóa học từ môi trường, không liên quan đến các sinh vật sống như biến đổinhiệt độ (nóng hoặc lạnh), hạn hán, độ mặn, thiếu chấtdinh dưỡng, chất ô nhiễm Các yếu tố này có thể làm thay đổi điều kiện sống của cây, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển và sinh trưởng của cây

Stress sinh học là trạng thái căng thẳng của cây trồng do sự tấn công hoặc tác động từ các sinh vật sống khác như côn trùng, vi khuẩn gây bệnh, nấm, động vật ăn thực vật, cây cỏ cạnh tranh dinh dưỡng với ánh sáng với cây trồng Các yếu tố sinh học này có thể gây hại trực tiếp hoặc gián tiếp đến cây trồng, làm ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát triển và năng suất của cây

Tổng quan về mạch khuếch đại dùng Op Amp

2.9.1 Mạch khuếch đại thuật toán

Mạch khuếch đại làmột thành phần khôngthể thiếu trong lĩnhvực điện - điện tử, xửlý tín hiệu, mạch được thiết kế để tăng cường hoặc khuếch đại tín hiệu đầu vào để thuđược tín hiệu đầu racó độ lớn caohơn để phù hợpvới yêu cầu củahệ thống

Một mạch khuếchđại thuật toán gồm 2 ngõ vào và 1 ngõ ra, 2 ngõ vào có trở khángcao, gồm đầuvào đảo, ký hiệu âm (-) và đầu vàokhông đảo, kýhiệu dương (+), ngõra có thể khuếch đại điệnáp hoặc nguồn điện như Hình 2.4 dưới đây

Hình 2 4: Mạch khuếch đại thuật toán [7]

Mạch khuếch đại thuật toán có 2 lợi ích lớn:

- Dựa trên việc của các linh kiện như điện trở, tụ điện ở đầu vào, đầu racủa tín hiệu mà có thể dùng mạch khuếch đạithuật toán để loại bỏ hay giảm thiễu cáctín hiệu không mong muốnnhư nhiễu, làm cho đầu ra thuđược tín hiệu ít nhiễu vàổn định hơn

- Mạch khuếchđại thuật toán giúp điềukhiển độ khuếch đạivà duy trì độ ổn định củađầu ra tín hiệu thông qua việc hiệu chỉnhđầu ra bằng cách so sánh giátrị đầu ra thực vớitín hiệu mong muốn

Mạch khuếch đạithuật toán được sử dụng phổ biếntrong các hệ thống điềukhiển tự động, dùngđể điều chỉnh hoạt độngcủa mạch khuếch đạimột cách tự độngtrong các hệ thốngâm thanh, hệ thốngviễn thông, các thiết bịđiện tử y sinh

2.9.1 Mạch khuếch đại vi sai

Mạch khuếch đạivi sai dùng để khuếchđại sự khác biệt sựkhácbiệt giữa 2 tín hiệu ngõvào, được mô tả như Hình 2 5 mô tả sau đây Bộ khuếch đại đo đạc (INA) là

16 mộtloại bộ khuếch đại đầu vào vi sai đặc biệt, nó là khuếch đại độ chênhlệch và khả năng loại bỏ chế độchung cao INA có trở khángđầu vào cao và trở khángđầu ra thấp, độlệch thấp (offset thấp) và độ nhiễuđầu ra thấp

Hình 2 5: Mạch khuếch đại vi sai [8]

Tổng quan về xử lý tín hiệu số

2.10.1 Khái niệm xử lý tín hiệu số

Xử lý tín hiệusố là việc áp dụngcác kỹ thuật và thuật toán đểbiến đổi, phân tích và trích xuất thông tin từcác tín hiệu số Các tín hiệu số là phiên bảnsố hóa củacác tín hiệu liên tục được thuthập từ các cảmbiến hoặc các thiết bị ghinhận Hình 2.6 sau đây là tín hiệu ECG trước và sau khi được xử lý tín số

Hình 2 6: Tín hiệu ECG trước và sau khi được xử lý số [9]

2.10.2 Các hoạt động chính trong xử lý hiệu số

Biến đổi tín hiệu: gồm cácphép biến đổi như biếnđổi Fourier, biến đổi Z và biến đổi Wavelet Biếnđổi Fourier để chuyển tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số, giúpphân tích các thành phần tầnsố của tín hiệu Biến đổiZ sử dụng trong phântích và thiết kếhệ thống xử lý tín hiệu số Biến đổi Wavelet ứng dụng để phân tích tín hiệu không cốđịnh như tín hiệucó đặc tính thay đổitheo thời gian

Lọc tín hiệu: Sử dụngcác bộ lọc số để loại bỏ nhiễu hoặc trích xuất các thành phần mong muốn của tín hiệu Các bộ lọc ở đây gồm lọc thông thấp (low-pass), lọc thông cao (high-pass filter), lọc thông dải (band-pass filter), lọc dải chặn (band-stop filter), bộlọc đáp ứng xung hữuhạn (FIR) và bộlọc đáp ứng xung vôhạn (IIR)

Lấy mẫu và lượngtử hóa: Lấy mẫu là việc chuyểnđổi tín hiệu analogthành tín hiệu số bằng cách đo tín hiệu ở các khoảng thời gian đều đặn Lượng tử hóa (quantization) là việc chuyển đổicác giá trị mẫu liên tục thành các giá trị rờirạc

Nén tín hiệu: gồm nén mất dữliệu và nén không mất dữ liệu Nén mất dữ liệu (lossy compression) giảm kíchthước tín hiệu bằng cách loạibỏ các thông tin không quan trọng, như nén âm thanh MP3, nén hình ảnh JPEG Nén không mất dữ liệu (Lossless Compression) giúp néntín hiệu mà không mấtmát thông tin, như FLAC cho âmthanh, PNG cho hìnhảnh

Phân tích vàtrích xuất đặctrưng: Phân tíchtín hiệu để nhậndạng các mẫuhoặc đặc trưng, nhưnhận dạng giọngnói, nhận dạnghình ảnh.

Tổng quan về hệ thống ghi nhận tín hiệu điện sinh lý ở cây trồng

3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống ghi nhận tín hiệu điện sinh lý ở cây trồng

Các thiết kế hệ thống ghi nhận tínhiệu điện sinh lý ở cây trồng có thể có các thành phầnkhác nhau tùy thuộcvào loại cây cầnđo, nhưng về tổngquan thì sẽ bao gồmcác khối như Hình 3.1 dưới đây:

- Bộ lọc thông thấpđầu vào

- Bộ chuyển đổi tương tự sang số

- Bộ xửlý tín hiệu số

Hình 3 1: Sơ đồ các khối thành phần trong hệ thống ghi nhận tínihiệu điện sinh lý ở cây trồng

3.1.2 Chức năng các khối trong hệ thống ghi nhận tínhiệu điện sinh lý ở cây trồng Điện cực: sử dụngđể ghi nhận tínhiệu điện từ cây trồng Điện cực dùng trong hệ thống thường là điện cực bề mặt và vi điện cực Vi điện cực được đâmvào thân cây xâm nhập vào tế bào đểghi nhận điện thế màngở mức tế bào Điện cực khác tiếpxúc với bề mặt của thân cây ghi nhận sự biến đổi củatín hiệu điện ở mức độ mô hay nhiều tế bào, cho phép đánh giá phản ứng tổng thể của các mô tế bào đối với cácyếu tố kích thích như ánhsáng, nhiệt độ, độ ẩm Trong khi vi điện cực sử dụng để ghi nhận các tín hiệu điện ở cấp độ tế bào hoặc thậm chí là bên trong từng tế bào với mức ghi nhận các biến đổi điện thế với độ chính xác cao, cho phép phân tích chính xác các quá trình điện sinh lý

Bộ lọc thôngthấp: sử dụng để xửlý tín hiệu thu thậptừ điện cực, do tínhiệu thu thập đượcchịu ảnh hưởng từ nhiều yếutố gây nhiễu, làmsai lệch tín hiệuthu được Việc loại bỏ nhiễulà cần thiết để thu được tínhiệu mong muốn để đưa vàohệ thống Tín hiệu từ điệncực được chuyển qua bộ lọc thôngthấp để loại bỏ các thànhphần nhiễu có tần số cao, từđó giảm thiểu thành phần nhiễu trongtín hiệu trước khi đưavào hệ thống để xử lý

Mạch khuếch đại: được sử dụng để tăngđộ lớn của tín hiệuthu từ cây trồng, với biên độ thường rấtnhỏ (từ uV đến mV), để phùhợp cho việc thuthập và xử lý trên vi điều khiển Mạch khuếchđại đảm nhận vaitrò tăng độ lớn của tínhiệu lên một mức độ cần thiếtđể bộ chuyển đổi tương tự sang số có thể thực hiện quátrình chuyển đổi một cách hiệu quả

Bộ chuyển đổi tươngtự sang số: chuyển đổi giátrị điện áp ở đầu ra của mạch khuếch đạivà thực hiện chuyển đổi sanggiá trị số để vi điềukhiển có thể ghi nhận

Vi điều khiển: thu nhận dữ liệu từbộ chuyển đổi tươngtự sangsố và lưu vào bộ nhớ, làmnơi lưu trữ tạm thời cho dữliệu sau đó đưa dữliệu đến bộ xử lýtín hiệu số

Bộ xửlý tín hiệu số: thực hiện cácchức năng xử lý tín hiệu nhưdùng các thuật toánlọc tín hiệu, làm phẳng tínhiệu, lấy giá trịtrung bình Sau đódữ liệu được chuyển đến máy tính thông qua các giao thức truyền thông nối tiếp như UART, Ethernet,

RS232 Bên trong một số mạch ghi nhận tín hiệu điện cây trồng, thành phần DSP này có thể được tích hợp vào các máy tính đa năng và tín hiệu số sẽ được xử lý bằng phần mềm

Máy tính: Nhận dữliệu về tín hiệu điện sau khi được xử lý bởi khối xử lý tín hiệu số Sử dụng các chươngtrình máy tính để trực quan hóa các dữ liệu ghi nhận đã được xửlý thành biểu đồ giúp cho con người cóthể quan sát và theo dõi tín hiệu ghi nhận từ cây

3.1.3 Nguyên lý mạch ghi nhận tínhiệu điện sinh lý ở cây trồng

Hình 3 2 miêu tả quá trình tín hiệu điện sinh lý từ cây trồng được ghi lại thôngqua các cặp điện cực được gắn vào thân, lá hay các vi điện cực xuyên thấu qua thân vào tế bào của cây, tín hiệu thu đượcsau đó đi qua bộ lọc thôngthấp để lược bỏ các thành phần nhiễu ở tần số cao trước khiđưa vào mạch khuếch đại (thường là mạchkhuếch đại vi sai) Tín hiệu ở đầura mạch khuếch đại sau đó được đưa qua bộ chuyển đổi tươngtự sang số để chuyểnđổi thành các giátrị số lưu trong bộ nhớcủa vi điều khiển Tiếp đó các giá trị số được đưa đến khối xử lý tín hiệu số đểthực hiện các phép xử lý số như phép lọc, lấy trungbình, làm phẳng Tín hiệu sau khi được xử lý số được truyền đến máy tính để trực quanhóa lên màn hìnhhiển thị để người dùng có thể quan sát

Hình 3 2: Lưu đồ quá trình xử lý tín hiệu điện sinh lý từ cây trồng

Kết quả các thí nghiệm ghi nhận tín hiệu điện sinh lý của cây trồng trong thiết kế 1:Hệ thống ghi nhận đồng thời tín hiệu lưu lượng ion và điện thế màng

4.1.1 Thí nghiệm đo điện thế màng

Thực hiệnghi nhận tín hiệu điệnthế màng trong quá trìnhkhử cực và táicực trên rễ câylúa mì trong dung dịch muối điện ly (1 mM KCl, 0.1 mM CaCl2, với độ pH 6.0) dưới kíchthích của dung dịchmuối NaCl 2M Dung dịch NaCl đượcchứa trong 1 pipet có đườngkính bé hơn 100 um đểđóng vai trò điện cực kích thích Thực hiệnđưa điện cực kíchlại gần vùng ghi điệnthế màng sau đóđưa ra xa như Hình 4 1 dưới sự hỗ trợ của thiết bị invert microscope Lúc này, tín hiệu điện thế màng được ghi nhận bằng vi điện cực đi qua hệ thống được mô tả ở thiết kế 1 Dữ liệu thu thập từ điện cực được đi qua bộ tiền khuếch đại, sau đó đưa đến mạch khuếch đại vi sai để tham chiếu với điện cực tham chiếu ở bên ngoài màng tế bào Tín hiệu sau đó đi qua bộ chuyển đổi lưu trữ

16 bit và được ghi nhận bởi bo thu thập dữ liệu USB-4716 Tín hiệu sau đó được truyền tới máy tính để xử lý số và hiển thị lên máy tính bằng phần mềm được phát triển trên Microsoft Visual Basic dưới dạng các biểu đồ theo thời gian Ở đây tác giả của nghiên cứu chỉ cung cấp hình ảnh về các kết quả, không bao gồm chi tiết về hình ảnh giao diện phần mềm

Hình 4 1: Thực hiện đưa điện cực kích thích đến gần và xa nơi ghi điện thế màng [11]

Hình 4.2 mô tả dữ liệu điện thế màng được thu thập ở thiết kế 1 và được hiện thị ở dạng biểu đồ thông qua phần mềm được nhóm tác giả báo cáo nghiên cứu cung cấp Khi pipet đâmqua tế bào tín hiệu cao vì việc này xem như làmột kích thích (tín hiệu khoảng 64mV) sau đógiảm, lúc này tín hiệu điện ghi nhận từ vi điện cực chưa được ổn định Khi pipetchứa NaCl vào dungdịch, NaCl tan trongnước sẽ tách thành Na + và Cl - trong dungdịch Khi đưa điện cực kích thích lại gần vùng đo điện thế màng, tức kích thích đủ mạnh, màngtế bào sẽ bắt đầu thay đổi điện thếmàng từ trạng thái nghỉ sang trạng thái động Điềunày xảy ra khi cáckênh ion mở ra, cho phép ion Na + nhập vàotế bào, dẫn đếnviệc điện tích âmbên trongtế bào trở nênthấp hơn, làm chođiện thế của màngthay đổi theo chiều hướng dương, tínđiện lúc này đạt khoảng 40mV Sau đódo sự thích nghi tự điều chỉnh ở cây sẽdiễn ra quá trình tự phục hồi để đưa cây về trạng thái cânbằng, việc tín hiệu điệnsau đó giảm lý giảilà do màng tế bào bắt đầuphục hồi lại trạngthái nghỉ thôngqua việc đóng các kênh Na + vàmở các kênh ion K + , chophép ion K + thoátra khỏi tế bào, làmgiảm điện thếmàng

Hình 4 2: Tín hiệu điện thế màng ghi nhận ở rễ cây lúa mì [11]

Có thể thấy ở Hình 4.2 khi pipet kích thíchtiếp cận đến vùngđiện thế màng đang được ghi lại, cáctế bào biểu bì bịkhử cực do cáckênh ion mở ra, chophép ion Na + nhập vào tế bào, dẫn đếnviệc điện tích âm sẽ thấp hơn bên trongtế bào Khi pipet được di chuyển ra khỏi vùngđo, điện thế màng của biểu bì giảmđi do điện thế màng được tái

39 phân cực, làm đóngcác kênh Na + và mởcác kênh K + , cho phép ion K + chảy ra khỏi tế bào, làm giảm điện thế màng Tín hiệuđiện giảm dần về mức ổn định ở mứcban đầu khoảng từ 5mV đến8mV Các tín hiệu dao độngnhỏ hơn lúc mới xuyên thấu điện cực được lý giải làdo cây thích đạt trạng tháicân bằng mới nêntín hiệu điện không còndao động nhiềunhư lúc ban đầu Từ việc ghi nhận điện thế màng, có thể thấy các vi điện cực có thể ghi nhận được tín hiệu điện trong của các kích thích diễn ra nhanh chóng Từ đó thấy được tín hiệu điện trong quá trình quá trình khử cực, tái cực và khả năng thích nghi của cây

4.1.2 Thí nghiệm ghi lại lưu lượng ion H + và điện thế màng đồng thời

Thí nghiệm sau thực hiện khảo sát sự ảnh hưởng của muối đến quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng của cây bằng cách theo dõi đồng thời sự thay đổi của hoạt động ion

H + ở rễ cây cùng với sự thay đổi ở điện thế màng Thực hiện ghi đồng thời lưu lượng ion H + và điện thế màng trong rễ cây lúa mì bằng vi điện cực ghi nhận điện thế màng và vi điện cực thủy tinh chọn ion với sự hỗ trợ của thiết bị invert microscope để tạo độ rung di chuyển vi điện cực chọn ion giữa 2 vị trớ với khoảng cỏch rất nhỏ (10–20 àm) Vi điện cực được lấp đầy bởi 15mM NaCl hòa với 40mM KH2PO4 được điều chỉnh về độ pH 6.0 để điện cực có thể ghi nhận dữ liệu về ion H + Thực hiện ghi nhận bằng cách cho điện cực ghi điện thế màng và vi điện cực chọn lọc ion H + xuyên thấu vào tế bào tại một vị trí phù hợp Sau khi vi điện cực xuyên thấu vào rễ cây.Vi điện cực chọn lọc ion H + được di chuyển đến khoảng cỏch 10–20 àm tớnh từ vựng đo để theo dừi lưu lượng H + Các dữ liệu ghi nhận được đưa qua hệ thống mô tả ở thiết kế 1 Tín hiệu đi qua bộ tiền khuếch đại đến mạch khuếch đại vi sai, qua bộ chuyển đổi tương tự sang số và được lưu trữ trong bo USB-4716 Dữ liệu sau đó được truyền thông đến máy tính để phần mềm được nhóm tác giả báo cáo nghiên cứu phát triển Hình 4.3 mô tả thiết lập các điện cực để đo các tín hiệu dòng ion và điện thế màng đồng thời Rễ cây đượcngâm trong 38mL dung dịch muối điện ly (gồm 1 mM KCl, 0,1 mM CaCl2, với độ pH là 6,) dưới điều kiện này cây hấp thụ các chất dinh dưỡng tốt Sử dụng 2 mLNaCl 3M làm dungdịch kích thích Sau khi khuếchtán dung dịch kích thích, nồng độ NaCl sẽ đạt xấp xỉ150 mM Khi điện thế màngổn định, lấy dungdịch muối natri kích thíchra khỏi dung dịch ngâm

Hình 4 3: Thiết lập các điện cực để đo các tín hiệu dòng ion và điện thế màng đồng thời [11]

Hình 4.4 cho là biểu đồ ghi nhận dữ liệu trong 35 phút được nhóm tác giả báo cáo nghiên cứu cung cấp thông qua hệ thống và phần mềm được nhóm báo cáo nghiên cứu phát triển Tín hiệu ghi nhận lưu lượng ionH + thoát ra ngoàitế bào giảmrõ rệt sau khi bị kíchthích muối, trong khi ở màng tế bào xảy raquá trình khử cực, điện thế bên trong tế bào ít âm hơn khi bị kích thích Saukhi kích thíchmuối 20 phút, tín hiệu của dòng H + và điệnthế màng thayđổi theo hướngngược lại do điệnthế màng có xuhướng ổn định và táicực dần, trong khilưu lượng ion H + thoát ra ngoài tế bào bắt đầuhồi phục theo chiều hướng tăng Muối ảnh hưởng đến hoạt động đến kênh bơm ion H + , hay muối ảnh hưởng đến cơ chế điều chỉnh pH của tế bào làm giảm sự thoát của ion H + tế bào Khi Na + xâm nhập vào tế bào thông qua các kênh ion, mang theo điện tích dương Sự gia tăng nồng độ Na + bên trong tế bào làm giảm sự chênh lệch điện thế giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào, gây ra khử cực Khử cực do Na + làm rối loạn cân bằng ion trong tế bào, gây ra các phản ứng stress và ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình hấp thụ các ion thiết yếu khác như K + , Ca 2+

Hình 4 4: Kết quả ghi nhận đồng thời tín hiệu dònh ion H + và điện thế màng [11]

Trong điều kiện mặn, khi nồng độ Na + cao gây ra những thay đổi đáng kể trong sinh lý và sinh hóa của tế bào cây Ion Na + cạnh tranh với ion K + và H + trong các quá trình vận chuyển ion, làm giảm hiệu suất việc bơm H+ ra ngoài tế bào Điều này dẫn đến sự suy giảm gradient điện hóa proton, từ đó giảm hiệu quả hấp thụ các ion cần thiết

Từ việcghi lại đồng thờinên thấy được mối tương quan giữa điệnthế màng tế bào và dòng ion H + Tronggiai đoạn khử cựccủa màng tế bào, ion H + thườngđược bơm rakhỏi tế bào thôngqua các bơm iondương làm giảmnồng độion proton bên trong tếbào Kết quả cho thấy cóthể giám sát đồng thờivà đáng tin cậydòng ion và điệnthế màng trong rễ cây trong hơn30 phút Từ việcghi lại đồng thờinên thấy đượcmối tương quangiữa điện thế màngtế bào và lưu lượng ion H + vào ra ở cây trồng

4.2 Các kết quả thí nghiệm của ghi nhận tín hiệu điện trong thiết kế 2:

Hệ thống ghi nhận tín hiệu điện sinh lý cây trồng trong nhà kính

Dưới đây là kết quả các thí nghiệm được nhóm tác giả của nhóm báo cáo nghiên cứu cung cấp Nhóm tác giả của báo cáo nghiên cứu chỉ cung cấp các kết quả được ghi

42 nhận bởi phần mềm và không có đề cập đến thông tin về phần mềm được sử dụng để xử lý và trực quan lên biểu đồ Các thí nghiệm được thực hiện với cây dưa chuột được trồng trong môi trường nhà kính

4.2.1 Thí nghiệm về tác động do ánh sáng gây ra

Thí nghiệm này khảo sát sự ảnh hưởng của ánh sáng đến tín hiệu điện sinh lý của cây Để tiến hành thử nghiệm bằng cách thực hiệnđặt cây vào trong bóng tối 15 phút sau đóchiếu sáng 3 phút với mậtđộ photon trong ánh sángkhoảng 285 μmolm -2 s -1 Sau đó ghi nhận tín hiệu bằng hệ thống được mô tả thiết kế 2 Tín hiệu điện của cây được ghi nhận thông qua vi điện cực ngâm trong dung dịch muối điện ly cùng với lá cây để ghi nhận tín hiệu Trong đó các thông số môi trường được ghi nhận bằng các cảm biến Sau đó đưa qua hệ thống và hiển thị lên phần mềm trên máy tính Việc thí nghiệm đặt trong tối sau đó chiếu sáng đượcthực hiện 3 lần thử nghiệmtrên 5 cây trồngcùng một loạigiống cây Kết quả được biểu thị trong Hình 4.5 dưới đây

Hình 4 5: Kết quả thí nghiệm của một cây trong ba lần thử nghiệm [12]

Hình 4.5 thể hiện kết quả ghi nhận tín hiệu điện được nhóm tác giả báo cáo nghiên cứu cung cấp Trong môi trường nhà kính khôngcó ánh sáng và khôngcó sự thay đổi đángkể về nhiệt độ và độ ẩm, các tín hiệu điệnghi nhận được từ cây có biên độ dao

43 độngkhông đáng kể Nhưngkhi ánh sáng trong môi trườngthay đổi đạt đến cường độ sáng nhất định thìsẽgây ra sự biến đổi trong tínhiệu điện, cụ thể từ 18mV xuống mức âm như Hình 4.5 Nhiệt độ trong môitrường cũng có sự thay đổi 0.3 o C nhưng với tốc độchậm nên không gây sự biếnđộng đáng kể cho biên độ tín hiệu.Điều này lý giảibằng khả năng thích nghisinh lý của cây đối với sự thay đổicủa các yếu tố trong môitrường Thí nghiệm cũngchỉ ra rằng ánhsáng có có thểtạo ra các tín hiệuđiện trong mô lácủa cây trồngvà việc tín hiệunày cũng tương đối giốngnhau với các kích thíchgiống nhau do sựthay đổi sángtối có liên quan đến quátrình khử cực và tái cực ở cây Bảng 4-1 là giá trị điện thế màng trung bình trên 5 cây dưa chuột trong 3 lần thử khi cây trồng kích thích ánh sáng khi đặt trong bóng tối

Bảng 4- 1: Bảng trung bình giá trị điện thế màng khi kích thích sáng

Lần 1 (mV) Lần 2 (mV) Lần 3 (mV)

4.2.2 Sự tác động của nhiệt độ của cây đến tín hiệu điện của cây

Các kết quả thí nghiệm ghi nhận tín hiệu điện sinh lý cây trồng trong thiết kế 3: Hệ thống ghi nhận tín hiệu điện ở cây trồng sử dụng điện cực BDD

4.3.1 Thí nghiệm trên cây trồng trong chậu

Thí nghiệm được thực hiện để so sánh khả năng ghi nhận tín hiệu điện sinh lý giữa các vi điện cực làm từ các loại vật liệu khác nhau Thí nghiệm được thực hiện bằng cách ghi nhận tín hiệu điện trên cây lai xương rồng Oputina bằng các điện cực làm từ các loại vật liệu Ag, Pt và BDD Thực hiện dùng ngón tay chạm vào bề mặt cây lai xương rồng Oputina và ghi nhận lại tín hiệu thông qua các điện cực Tín hiệu được điện cực ghi nhận được đưa vào hệ thống được mô tả ở thiết kế 3 sau đó hiển thị lên máy tính, phần mềm trên máy tính giúp trực quan dữ liệu thành biểu đồ cho con người có thể quan sát Ở đây, nhóm tác giả báo cáo nghiên cứu chỉ công bố hình ảnh các kết quả ghi nhận mà không đề cập đến tên phần mềm sử dụng để trực quan lên biểu đồ

Hình 4 9: Tín hiệu điện ở cây lai Opuntia trong chậu khi chạm ngón tay [14]

Hình 4 9 bên trên làkết quả ghi nhận tín hiệu từ các điện cực làm từ các loại vật liệu khác nhau khi chạmngón tay vào bềmặt của cây laixương rồng Opuntia được tác giả nghiên cứu công bố, dễdàng thấy được tín hiệu điệnthu được từ các tấmđiện cực đều có sựthay đổi mạnhmẽ so với lúc chưatác động Tuy nhiện, ở các điệncực làm từ chất liệu Pt và Ag thì tín hiệu thayđổi nhưng không ổnđịnh như tín hiệu điệnđược ghi

53 nhậnbởi điện cựcdùng tấm vậtliệu kim cương pha boron Điện thế ghi nhận bởi điện cực kim cương pha boron cho thấysự ổn định caohơn so với cácđiện cực khác Để đánh giá độ tincậy của hệ thống giám sát điện thếtrong cây trồng, các phân tích thống kê đượcthực hiện bằng cách tính toán hệ sốbiến thiên (CV) Hệ số biến thiên được tính toán bằng cách sử dụng giá trị trung bình (Mean) và độlệch chuẩn (SD) của lượngthayđổi điện thế sinh họcthu đượctừ mỗi điện cực được biểu thị như Hình 4.10 dưới đây [14] Từ đóđo lường mức độ đồng nhất và ổn định của tín hiệu thu được từ mỗi điệncực, giúp đánh giá độ tincậy của hệ thống giám sát trong việcđo lường và ghi nhận cácthay đổi điện thế sinh học trên cây Các giá trịnày được trích xuất từdữ liệu được mô tả tronghình bên dưới

Hình 4 10: Biểu đồ lượng thay đổi điện thế ghi nhận từ các điện cực [14]

Từ các giá trị trênta tính toán đượcbảng thống kê như bảng 4-3 sau đây:

Bảng 4- 3: Giá trị biến thiên đo bằng điện cực từ các vật liệu khác nhau Điện cực Thay đổi (mV) Hệ số biến thiên

Giá trị trung (%) bình (Mean) Độ lệch chuẩn (SD) Điện cực Pt 0.046 0.047 103.1

54 Điện cực Eg 0.137 0.082 60.1 Điện cực BDD 0.208 0.037 15.3

Từ bảng thống kê trên thấy được điện cực bằng BDD có khoảng biến thiên bé hơn khoảng4 lần so làm từ vật liệu Ag/AgCl và nhỏhơn gấp 7 lần so vớiđiện cực làm từ vật liệu Pt Sựkhác biệt này là do khảnăng của các điện cực trongviệc chuyển đổi sự thay đổi hóa học trongcây thành tín hiệu điện

4.3.2 Thí nghiệm trên cây trồng trên mặt đất

Thí nghiệm được thực hiện kiểm tra khả năng ghi nhận tín hiệu điện của điện cực BDD so với điện cực làm bằng vật liệu Pt trên các cây trồng ở Nhật Bản Bóc lớp vỏ sần trên thân cây để lộ ra mô Các điện cực ghi nhận tín hiệu được áp vào ra mô tế bào các cây trồng.Tín hiệu điện thu thập được đưa qua hệ thống được mô tả thiết kế 3 và được đưa đến máy tính để trực quan lên máy tính (Phần mềm vẽ biểu đồ không được tác giả báo cáo nghiên cứu đề cập) Các tín hiệu sinh lý của cây được ghi lại trong thời gian 1 tuần Hình 4.11 dưới là hình ảnhtín hiệu điện ghilại bằng điện cựclàm từ tấm BDD và từ vật liệu Pt ghi lại các thay đổi trong điệnthế sinh học trong cả các cây thử nghiệm trong khoảng thời gian một tuần tại Nhật Bản được tác giả báo cáo nghiên cứu công bố a Tín hiệu điện ghi lại từ cây Eurya Japonica trong 1 tuần tại Kawasaki

55 b Tín hiệu điện ghi lại từ cây Camellia Japonica trong1 tuần tại Iwata c Tín hiệu điện ghi lại từ cây Cerasus Jamasakura trong 1 tuần tại Okayama

Hình 4 11: Tín hiệu ghi nhận từ các cây ở các vùng khác nhau dùng điện cực Pt và từ điện cực BDD [14] Đối với loài EuryaJaponica tại Kawasaki, tín hiệu điện thế sinh họcdạng gai có thể được pháthiện bằng điện cực làm từ BDD Các tín hiệudạng gai này được lý giảilà kết quả của quá trình hô hấp, sự di chuyển của lá và nhịpsinh học của cây Khi mưa, mặc dù các điện cựcplatin chỉ phát hiện được một sự daođộng nhỏ của tín hiệu so với tín hiệu trước đó Trong các điện cựctừ kim cương pha boron ghi nhận được một tín hiệu suy giảm vàcó cường độ bằng một nửa so với tínhiệu khi trời nắng Điềunày lý giải là do tín hiệu trong cây thay đổi do sự thay đổi các yếu tố trong môi trường như nhiệtđộ, độ ẩm Đối với các hailoại cây còn lại, tín hiệu từ điện cực BDD có những sự thay đổi trong tín hiệu hiện của cây mà điện cựcplatin không thể phát hiện vì hầu như tínhiệu không có sự thayđổi khi so với sự thay đổitín hiệu của điện cực BDD [14]

Từ các tínhiệu ghi được từ hai loại điện cực BDD và điện cực Pt, có thể thấy điện cực BDD có thể pháthiện những thay đổi trong điệnthế sinh học và hiệuquả hơn

Có thể phát hiện các sự kiện sắp xảyra như mưa bão Theo ngườithực hiện thí nghiệm kếtluận, điện cực BDD nhạy cảm hơn 5 đến 10 lần so vớiđiện cực Pt trong việc ghi nhận tín hiệu

Kết luận

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu về hệ thống giám sát sự sinh trưởng của cây trồng thông qua tín hiệu điện sinh lý, nhóm đã tập trung vào phân tích và đánh giá các kết quả từ các báo cáo nghiên cứu trước đóvề mạch đo tín hiệu điện sinh lý ở cây trồng Từ việc nghiên cứu các báo cáo nghiên cứu được công bố trước đó, nhóm thực hiện đưa ra được một số kết luận sau đây:

- Trước tiên, nhóm đã tóm tắt và phân tích các phát hiện từ các nghiên cứu trước đó, đặc biệt trong lĩnh vực phát hiện và ghi nhận tín hiệu điện sinh lý của cây trồng Qua đó, người đọc có thể thấy rõ sự đa dạng trong các phương pháp nghiên cứu và các mô hình thu thập dữ liệu được áp dụng Điều này cung cấp cho người đọc một cái nhìn toàn diện và đa chiều về đề tài, đồng thời giúp họ hiểu rõ hơn về sự tác động của các kích thích và yếu tố môi trường bên ngoài đối với tín hiệu điện sinh lý ở cây trồng

- Thứ hai, nhóm thực hiện so sánh và đánh giá các thiết kế mạch ghi nhận tín hiệu điện sinh lý của cây trồng sửdụng trong các báo cáo nghiên cứu trước đó Từ đó giúp người đọc có cái nhìn tổng quan về sự tin cậy và tínhhợp lệ của kết quả được đưa ra, cũng như những hạn chế mà nhómnghiên cứu và người mới tiếp cận cần cân nhắc trong quá trình nghiên cứu trong thực tế

Nhìn chung, đề tài nghiên cứu của nhóm đã đóng góp vào việc hiểu về các mô hình hệ thống ghi nhận tín hiệu điện sinh lý ở cây trồng với tác nhân kích thích từ môi trường thông qua việc phân tích các báo cáo nghiên cứu trước đó Nhóm thực hiện mong rằng những kết quả này sẽ làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo và góp phần vào sự phát triển của lĩnh vực này trong tương lai.

Hướng phát triển

Dựa trên việc phân tích các nghiên cứu trước đó về mạch đo tín hiệu điện sinh lý ở cây trồng, nhóm đã nhận ra một số hướng phát triển tiềm năng sau:

- Tích hợp dữ liệu và ứng dụng các công nghệ mới: Kết hợp dữ liệu từ tín hiệu điện sinh lý, thời tiết, đặc điểm đất đai và thông tin về phân bón để đánh giá và dự đoán hiệu

59 suất cây trồng một cách toàn diện và chính xác hơn Sau khi có dữ liệu đầy đủ có thể sử dụng các công nghệ mới như machine learning, IoT (Internet of Things) và các cảm biến tiên tiến để cải thiện khả năng đo lường và phân tích dữ liệu từ cây trồng Điều này có thể mở ra những cơ hội mới và nâng cao hiệu suất của các phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu về ứng dụng thực tế: Tiếp tục nghiên cứu về ứng dụng của tín hiệu điện sinh lý trong việc đánh giá sức khỏe và sự phát triển của cây trồng trong điều kiện môi trường thực tế Cung cấp thông tin quan trọng cho người nông dân và nhà nghiên cứu về cách tối ưu hóa sản xuất nông nghiệp và bảo vệ môi trường