Los agricultores y entusiastas de la jardinería a menudo se enfrentan a un dilema: ¿cómo saber si sus plantas están sufriendo sequía antes de que los signos físicos sean evidentes? Esta pregunta plantea interrogantes sobre la gestión del agua en la agricultura, un área donde la precisión es esencial para evitar pérdidas de rendimiento. Un nuevo método de detección podría cambiar las reglas del juego.
La cuestión de si a una planta le falta agua o no siempre ha sido un gran desafío para los agricultores. Gracias a la investigación realizada por la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología (SMART), se presenta una solución innovadora.
Desde hace una década, los investigadores trabajan en el desarrollo de sensores capaces de detectar diversos compuestos químicos. Sin embargo, adaptar estos sensores para su uso en sistemas biológicos vivos como las plantas ha resultado difícil. Nuevos avances que trae SMART permitir Ahora podemos detectar variaciones de pH en plantas vivas, una indicación temprana de estrés hídrico.
Tecnología pionera: sensores COF
Investigadores del grupo interdisciplinario DiSTAP de SMART, en colaboración con Temasek Life Sciences Laboratory y el MIT, han desarrollado los primeros sensores de estructura orgánica covalente (COF) integrados en microagujas de fibroína de seda (SF). Estos sensores proporcionan detección in situ de cambios fisiológicos de pH. Permiten identificar una disminución de la acidez en los tejidos del xilema de las plantas, alertando así hasta 48 horas antes que los métodos tradicionales de la aparición del estrés hídrico.
La falta de agua afecta gravemente el metabolismo de las plantas, reduciendo el tamaño de las hojas, el crecimiento del tallo y la proliferación de las raíces, lo que lleva a un menor rendimiento. Si esta condición persiste, las plantas pueden amarillear, marchitarse y finalmente morir.
El impacto en la agricultura
Con los crecientes desafíos del cambio climático, el aumento de los costos y la falta de espacio, a los agricultores les resulta difícil intervenir de manera proactiva o diagnosticar los problemas antes de que los síntomas sean visibles. Integrar sensores como estos en las prácticas agrícolas se convierte una necesidad de evaluaciones in vivo e intervenciones oportunas.
« Este tipo de sensor se puede conectar fácilmente a la planta e interrogar con instrumentación sencilla. Por lo tanto, pone análisis poderosos, como las herramientas que desarrollamos dentro de DiSTAP, directamente en manos de agricultores e investigadores. dijo el profesor Michael Strano, coautor correspondiente, codirector principal de DiSTAP y profesor Carbon P. Dubbs de ingeniería química en el MIT.
El desarrollo y funcionamiento de sensores COF.
Los sensores COF representan un avance significativo porque antes no podían interactuar con tejidos biológicos. Estos marcos orgánicos están hechos de redes de moléculas orgánicas o polímeros, que contienen átomos de carbono unidos a elementos como hidrógeno, oxígeno o nitrógeno, formando estructuras cristalinas que cambian de color según el pH. Esta propiedad permitir Detección temprana del estrés hídrico mediante la medición en tiempo real de los niveles de pH en los tejidos del xilema.
« Los sensores COF-silk ofrecen un ejemplo de nuevas herramientas necesarias para hacer que la agricultura sea más precisa frente a la necesidad de aumentar la seguridad alimentaria global bajo las limitaciones impuestas por el cambio climático, los recursos limitados y la necesidad de reducir la huella de carbono. La integración perfecta entre nanosensores y biomateriales permite la medición sin esfuerzo de parámetros clave de los fluidos de las plantas, como el pH, lo que permite monitorear la salud de las plantas. explicó el profesor Benedetto Marelli, coautor, investigador principal de DiSTAP y profesor asociado de ingeniería civil y ambiental en el MIT.
Aplicaciones futuras
En un artículo de acceso abierto titulado “ Marcos orgánicos covalentes cromáticos que permiten la tomografía química in vivo », publicado recientemente en Nature Communications, los investigadores de DiSTAP documentan su trabajo innovador. Muestran cómo este método permite el mapeo 3D in vivo de los niveles de pH en tejidos vegetales con solo la cámara de un teléfono inteligente, proporcionando un enfoque mínimamente invasivo en comparación con los métodos ópticos tradicionales.
Se diseñaron y sintetizaron cuatro compuestos de COF para exhibir cromismo ácido sintonizable (cambios de color asociados con variaciones de pH) con microagujas de SF recubiertas con una capa de película de COF. La transparencia de las microagujas y la película COF. permitir Observación y visualización in vivo de distribuciones espaciales de pH a través de cambios de color sensibles al pH.
« Basándonos en nuestro trabajo anterior con películas biodegradables de COF-SF capaces de detectar el deterioro de los alimentos, desarrollamos un método para detectar cambios de pH en los tejidos vegetales. Cuando se usan en plantas, los compuestos COF cambian de rojo oscuro a rojo a medida que aumenta el pH en los tejidos del xilema, lo que indica que las plantas están experimentando estrés hídrico y requieren una intervención temprana para evitar la pérdida de rendimiento. dijo Song Wang, científico investigador de SMART DiSTAP y coprimer autor.
« Las microagujas SF son robustas y pueden diseñarse para permanecer estables incluso cuando interactúan con tejidos biológicos. También son transparentes, lo que permite el mapeo multidimensional de forma mínimamente invasiva. Combinado con películas COF, los agricultores ahora tienen una herramienta de precisión para monitorear la salud de las plantas en tiempo real y responder mejor a desafíos como la sequía y mejorar la resiliencia de los cultivos. añadió Yangyang Han, becario postdoctoral senior en SMART DiSTAP y coprimer autor.
Este estudio sienta las bases para futuros desarrollos en imágenes químicas tomográficas de plantas basadas en microagujas COF-SF con sensores COF. Los investigadores de DiSTAP planean expandir esta tecnología más allá de la detección de pH, centrándose en la detección de una amplia gama de analitos biológicamente relevantes, como hormonas y metabolitos vegetales.
Leyenda de la ilustración: Los polvos de sensores crómicos sensibles al PH, basados en una estructura orgánica covalente (COF), desarrollados por investigadores de SMART DiSTAP, exhiben cambios visuales de color tras la detección temprana del estrés por calor. Crédito: inteligente
Artículo : « Estructuras orgánicas covalentes cromáticas que permiten la tomografía química in vivo » – DOI: s41467-024-53532-7
Fuente: MIT
