por la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología
Investigadores del Grupo de Investigación Interdisciplinario (IRG) de Tecnologías Disruptivas y Sostenibles para la Precisión Agrícola (DiSTAP) en la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología (SMART), la empresa de investigación del MIT en Singapur, y sus colaboradores locales del Instituto de Investigación de Materiales y Ingeniería (IMRE), la Agencia para la Ciencia, Tecnología e Investigación (A*STAR), así como el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular (ChBE), la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han publicado una revisión que analiza los avances recientes en no- monitoreo destructivo de la salud de las plantas, que va desde arreglos electroquímicos hasta nanosensores y narices electrónicas, y por qué el seguimiento de la salud de las plantas es una estrategia atractiva y sostenible que se puede utilizar para optimizar las prácticas de crecimiento de los cultivos.La revisión tiene como objetivo inspirar futuros desarrollos de tecnologías no destructivas para el diagnóstico de la salud de las plantas.
Para satisfacer la necesidad apremiante de seguridad alimentaria mundial y allanar el camino para una agricultura sostenible , el avance y la adopción de tecnología agrícola son fundamentales para aliviar las condiciones de 193 millones de personas en el mundo que padecen inseguridad alimentaria aguda. Sin embargo, se deben implementar prácticas sostenibles para minimizar la destrucción ambiental al mejorar el rendimiento y la productividad de los cultivos. Tradicionalmente, los agricultores a menudo solo podrán notar signos de deterioro de la salud de sus cultivos en una etapa en la que las medidas de reparación son limitadas.
Además, las pruebas actuales a través de técnicas analíticas basadas en la cromatografía son tan destructivas como se requieren, perforando muestras de hojas que causarían heridas y roturas de tejidos. Estos métodos también son laboriosos, incluida la extracción y el procesamiento en laboratorio de múltiples muestras de plantas para cada punto de datos. Por lo tanto, los científicos han estado avanzando en el campo de la agricultura de precisión, desarrollando nuevos sensores y herramientas analíticas para ayudar a los agricultores a guiar las decisiones de gestión agrícola. El uso de sensores no destructivos o mínimamente invasivos para los metabolitos de las plantas ha surgido como una herramienta analítica esencial para el monitoreo en tiempo real de las vías de señalización de las plantas y la respuesta de las plantas a las condiciones externas que indican la salud general de las plantas. Estos sensores podrían incorporarse a futuras prácticas agrícolas e implementarse en granjas urbanas de alta tecnología que utilicen agricultura de precisión, predictiva y ambientalmente controlable.
«A la luz de la creciente demanda de alimentos debido a la creciente población mundial y la preocupación por la seguridad alimentaria, el desarrollo de tecnologías y herramientas innovadoras y sostenibles para mejorar el rendimiento y la calidad de los cultivos es oportuno y esencial. El monitoreo no destructivo de la salud de las plantas se erige como uno de los estrategias clave para mejorar las prácticas de crecimiento de cultivos, complementando las técnicas agrícolas actuales como la rotación de cultivos, cultivos intercalados y modificación genética», dijo el Dr. Gajendra Pratap Singh, investigador principal y director científico sénior de DiSTAP.
El equipo explicó su investigación en el artículo de revisión titulado «Tecnologías no destructivas para el diagnóstico de la salud de las plantas», publicado en la revista Frontiers in Plant Science. Los hallazgos mostraron que los sensores podrían clasificarse ampliamente en aquellos que detectan moléculas de señalización internas (sensores in vivo) y externas (superficie de la planta y en el aire).
Los sensores in vivo se basan en sensores electroquímicos o sensores nanobiónicos de plantas. Los recientes avances en nanotecnología han permitido que los sensores electroquímicos y nanobiónicos de plantas exhiban una mayor sensibilidad y selectividad al utilizar propiedades electroquímicas y ópticas únicas. Además de las moléculas de señalización internas, las plantas también emiten señales en las superficies de sus órganos, así como a través de metabolitos en el aire, como los compuestos orgánicos volátiles (COV), para la comunicación entre plantas. La detección de señales internas y externas, como compuestos superficiales y aerotransportados, permite el diagnóstico no invasivo y en tiempo real de enfermedades de las plantas.
Además, los sensores convierten las señales de las plantas en señales digitales para establecer una comunicación directa entre las plantas y los productores. «Al aprovechar los eventos fisiológicos de las plantas en tiempo real, los sensores no destructivos permiten un ajuste rápido de las condiciones ambientales para aumentar la productividad de los cultivos y minimizar el uso de recursos», agregó el Dr. Tedrick Thomas Salim Lew, científico de IMRE de A*STAR y asistente adjunto. Profesor en NUS ChBE, quien fue el autor correspondiente del artículo.
«La revisión brindó información sobre sensores que son versátiles y han tenido éxito en la extracción de información espaciotemporal de una variedad de especies de plantas importantes para la agricultura. Los sensores abrirán la posibilidad de esquemas de control de retroalimentación en tiempo real que pueden ayudar en la aplicación precisa de fertilizantes y reguladores del crecimiento de las plantas para maximizar el crecimiento, así como facilitar la intervención oportuna para minimizar la pérdida de rendimiento por el estrés de las plantas», dijo Mervin Ang, científico investigador de DiSTAP y primer autor del artículo.
Para abordar los profundos desafíos en la producción de alimentos en Singapur y el mundo, DiSTAP, a lo largo de los años, ha introducido nuevas herramientas analíticas que son rápidas, no destructivas y tienen la capacidad de detectar y proporcionar información de plantas vivas en tiempo real. Esta última revisión busca avanzar en tecnologías que se pueden aplicar para estudiar cultivos relevantes para la agricultura en el campo, cerrando la brecha de conocimiento entre las plantas modelo comúnmente utilizadas en biología vegetal y los cultivos económicamente importantes.
Más información: Mervin Chun-Yi Ang et al, Tecnologías no destructivas para el diagnóstico de la sanidad vegetal,
Frontiers in Plant Science (2022). DOI: 10.3389/fpls.2022.884454
