Alimentar un planeta mediante el control de la salud de las plantas

Necesitamos aumentar el rendimiento de los cultivos agrícolas debido a la combinación de una población humana creciente y realidades inducidas por el cambio climático, como las enfermedades de las plantas, las temperaturas más cálidas y la sequía. Esto ha dado lugar a una creciente demanda de tecnologías agrícolas de precisión que controlen el suelo, el agua, los patógenos y la salud de las plantas, y proporcionen datos procesables en tiempo real o casi real. Las técnicas que pueden utilizarse sobre el terreno y proporcionar información puntual están muy solicitadas.

Sensores de electrodos portátiles

Una solución consiste en utilizar sensores de salud "portátiles" que se adhieren a las hojas de las plantas. Controlan la salud de la hoja y factores microambientales como la temperatura, la humedad y la pérdida de agua. Se han estudiado materiales como las nanohojas apiladas de ZnIn₂S₄, junto con un metal elástico, una matriz de nanotubos de carbono y silicio.^{1, 2}

Pero conseguir que los dispositivos se adhieran bien a las hojas es difícil, y diseñar un dispositivo portátil funcional que también pueda comercializarse a escala y reproducirse es mucho pedir.

Una nueva investigación publicada en ACS Applied Materials & Interfaces demuestra que los materiales y tecnologías adecuados pueden ayudar a reducir estas barreras. El trabajo de Barbosa et al.³ muestra que las películas de níquel pueden utilizarse en combinación con procesos de microfabricación bien conocidos para fabricar sensores de electrodos portátiles que controlen la pérdida de contenido de agua de las hojas. El contenido de agua es un indicador clave de la salud de las plantas y proporciona información sobre el grado de estrés o salud de una planta. Los investigadores también demuestran que un material alternativo, el papel pirolizado, puede utilizarse para medir con certeza la pérdida de contenido de agua.

Tecnologías emergentes para monitorear la salud de las plantas

Otras tecnologías emergentes para supervisar la salud de las plantas son las técnicas de punto de uso, como los fitosensores de biología sintética que proporcionan datos sobre patógenos, toxinas y nutrientes de las plantas. Las técnicas de fluorescencia e imagen hiperespectral también pueden controlar la clorofila, la actividad fotosintética, el estrés foliar, la contaminación y los patógenos. Y los investigadores están explorando dispositivos que puedan integrarse en las plantas, como electrodos de microagujas y sensores orgánicos basados en transistores electroquímicos, para el monitoreo continuo de la salud de las plantas.^{4, 5}

También se han diseñado nanosensores basados en nanotubos de carbono de pared simple fluorescentes en el infrarrojo cercano para que interactúen con las hojas de las plantas e informen sobre el peróxido de hidrógeno, otro indicador clave del estrés de las plantas.⁶ También se están utilizando sensores multiespectrales en vehículos aéreos no tripulados para detectar a distancia el estrés de las hojas basándose en la idea de que cuando las hojas no sufren estrés hídrico, dispersan comparativamente más luz que las hojas deshidratadas, en función de cómo la luz se desplaza desde las paredes celulares hidratadas al espacio aéreo externo.^7,8

Referencias

1. Lu, Y. et al. Multimodal Plant Healthcare Flexible Sensor System. ACS Nano 2020, 14, 9, 10966–10975.
2. Zhao, Y, et al. Multifunctional Stretchable Sensors for Continuous Monitoring of Long-Term Leaf Physiology and Microclimate. ACS Omega 2019, 4, 5, 9522–9530.
3. Barbosa, J. A. et al. Biocompatible Wearable Electrodes on Leaves toward the On-Site Monitoring of Water Loss from Plants. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 20, 22989–23001.
4. Roper, J. M. et al. Emerging Technologies for Monitoring Plant Health in Vivo. ACS Omega 2021, 6, 8, 5101–5107.
5. Feng, Y.-X. et al. A Visual Leaf Zymography Technique for the In Situ Examination of Plant Enzyme Activity under the Stress of Environmental Pollution. J. Agric. Food Chem. 2020, 68, 14015–14024.
6. Wu, H. et al. Monitoring Plant Health with Near-Infrared Fluorescent H2O2. Nano Lett. 2020, 20, 4, 2432–2442.
7. Stiteler, W. and Newcombe, A. Use of multispectral sensors and unmanned aerial vehicles for agricultural applications. In SciMeetings, Proceedings of the ACS Fall 2020 Virtual Meeting, Aug 17, 2020.
8. Gausman, H. W. et al. Use of Leaf Optical Properties in Plant Stress Research. In Bioregulators: Chemistry and Uses; Ory, R. L.; Rittig, F. R., Eds.; ACS Symposium Series 257; American Chemical Society: Washington, DC, 1984, pp 215–233.