Los científicos han diseñado un dispositivo capaz de monitorizar el estrés al que puede estar sometida una planta.
La tecnología funciona mediante un sensor óptico que analiza la química de la hoja para determinar el estado de estrés.
Se espera que estos dispositivos puedan ayudar a los agricultores a maximizar el rendimiento de sus cultivos y a responder a la creciente preocupación por la inseguridad alimentaria.
Investigadores del Alianza de Investigación y Tecnología Singapur-MIT (SMART) y el Laboratorio de Ciencias de la Vida de Temasek (TLL) han diseñado un sensor óptico portátil capaz de monitorizar si una planta está sometida a estrés. El dispositivo ofrece a los agricultores y a los científicos vegetales una nueva herramienta para el diagnóstico temprano y la monitorización en tiempo real de la salud de las plantas en condiciones de campo.
La agricultura de precisión es una estrategia importante para hacer frente a la creciente inseguridad alimentaria mediante prácticas agrícolas sostenibles, pero requiere nuevas tecnologías que permitan diagnosticar con rapidez el estrés de las plantas antes de que aparezcan síntomas visibles y se produzca una pérdida de rendimiento. El nuevo sensor Raman portátil de pinza foliar de SMART es una herramienta útil en la agricultura de precisión, ya que permite diagnosticar pronto la deficiencia de nitrógeno en las plantas, que puede estar relacionada con el deterioro prematuro de las hojas y la pérdida de rendimiento.
En un artículo titulado “Sensor Raman portátil de pinza foliar para la detección rápida del estrés vegetal,” publicado en la revista Scientific Reports, los científicos explican cómo diseñaron, construyeron y probaron la pinza foliar que permite al sensor óptico analizar la química de la hoja y determinar el estado de estrés. El trabajo se desarrolló en el Grupo de Investigación Interdisciplinar (IRG) de Tecnologías Disruptivas y Sostenibles para la Precisión Agrícola (DiSTAP) dentro de SMART, la empresa de investigación del MIT en Singapur.
“Nuestros resultados demostraron que las mediciones in vivo realizadas con el sensor Raman portátil de pinza foliar en condiciones de crecimiento con luz plena coincidían con las obtenidas con un espectrómetro Raman de sobremesa sobre secciones de hoja en condiciones de laboratorio”, afirma Rajeev Ram, profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT, coautor principal del artículo e investigador principal en DiSTAP. “Demostramos que es posible diagnosticar de forma temprana la deficiencia de nitrógeno, un nutriente fundamental y el componente más importante de los fertilizantes, en plantas vivas con el sensor portátil”.
Aunque el estudio se centró principalmente en medir los niveles de nitrógeno en las plantas, el dispositivo también puede utilizarse para detectar los niveles de otros fenotipos de estrés vegetal, como el estrés por sequía, calor y frío, el estrés salino y el estrés lumínico. La amplia gama de factores de estrés vegetal que pueden detectarse con estas sondas Raman de pinza foliar, así como su sencillez y rapidez, las hacen ideales para el uso en campo por parte de los agricultores para garantizar la salud de los cultivos.
“Aunque nos hemos centrado en el diagnóstico temprano y específico de la deficiencia de nitrógeno con el sensor de pinza foliar, pudimos medir picos de otros metabolitos que también se observan claramente en hortalizas populares como el kailan, la lechuga, el choy sum, el pak choi y las espinacas”, afirma Chung Hao Huang, coprimer autor del artículo y becario postdoctoral en TLL.
El equipo considera que sus hallazgos pueden ayudar a los agricultores a maximizar el rendimiento de los cultivos, al tiempo que minimizan los impactos negativos en el medioambiente, incluida la reducción de la contaminación de los ecosistemas acuáticos mediante la disminución de la escorrentía y la infiltración de nitrógeno en el nivel freático.
“El sensor se demostró en múltiples variedades de hortalizas y respalda el esfuerzo por producir hortalizas nutritivas y de bajo coste como parte de la iniciativa Singapur 30 por 30”, afirma el profesor Nam-Hai Chua, coinvestigador principal en DiSTAP, subdirector en TLL y coautor principal del estudio. “La extensión de este trabajo a una mayor variedad de cultivos podría contribuir a nivel mundial a mejorar los rendimientos agrícolas, aumentar la resiliencia climática y mitigar la contaminación ambiental mediante un menor uso de fertilizantes”.
El sistema Raman portátil se diseñó en colaboración con la empresa local TechnoSpex. La pinza foliar del sensor Raman consta de un clip impreso en 3D construido en torno a un conjunto de sonda Raman basado en fibra.
Shilpi Gupta, becaria postdoctoral en DiSTAP, fue coprimera autora del artículo, y Gajendra Pratap Singh, director científico de DiSTAP, también es coautor del artículo. La investigación fue llevada a cabo por SMART y contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Investigación (NRF) de Singapur en el marco de su programa Campus for Research Excellence And Technological Enterprise (CREATE).
El programa DiSTAP aborda problemas profundos de la producción de alimentos en Singapur y en el mundo mediante el desarrollo de un conjunto de tecnologías analíticas, genéticas y biosintéticas innovadoras e impactantes. El objetivo es cambiar de forma fundamental la manera en que se descubren, monitorizan, diseñan y, en última instancia, se aplican las rutas biosintéticas de las plantas para satisfacer la demanda mundial de alimentos y nutrientes.
Científicos del MIT, TLL, la Universidad Tecnológica de Nanyang y la Universidad Nacional de Singapur desarrollan de forma colaborativa nuevas herramientas para la medición continua de metabolitos y hormonas vegetales importantes, con el fin de lograr descubrimientos novedosos y una comprensión y control más profundos de las rutas biosintéticas de las plantas de formas aún no posibles, especialmente en el contexto de las hortalizas de hoja verde; aprovechar estas nuevas técnicas para diseñar plantas con propiedades muy deseables para la seguridad alimentaria mundial, como la producción de alta densidad de rendimiento, la resistencia a la sequía y a patógenos, y la biosíntesis de productos comerciales de alto valor; desarrollar herramientas para producir componentes alimentarios hidrofóbicos en microorganismos de relevancia industrial; desarrollar tecnologías microbianas y enzimáticas novedosas para producir compuestos orgánicos volátiles que puedan proteger y/o promover el crecimiento de las hortalizas de hoja; y aplicar estas tecnologías para mejorar la agricultura urbana.
DiSTAP está dirigido por el coinvestigador principal del MIT, el profesor Michael Strano, y por el coinvestigador principal de Singapur, el profesor Chua Nam Hai.
SMART fue establecido por el MIT y la NRF en 2007. SMART es la primera entidad del programa CREATE desarrollada por la NRF. SMART actúa como centro intelectual y de innovación para las interacciones investigadoras entre el MIT y Singapur, y lleva a cabo proyectos de investigación de vanguardia en áreas de interés para ambas partes. SMART cuenta actualmente con un Centro de Innovación y cinco IRG: Resistencia Antimicrobiana, Análisis Crítico para la Fabricación de Medicina Personalizada, DiSTAP, Movilidad Urbana del Futuro y Sistemas Electrónicos de Baja Energía.
