Gli agricoltori e gli appassionati di giardinaggio spesso si trovano di fronte a un dilemma: come fai a sapere se le loro piante soffrono di siccità prima che i segni fisici siano evidenti? Questa domanda solleva interrogativi sulla gestione dell’acqua in agricoltura, un settore in cui la precisione è essenziale per evitare perdite di rendimento. Un nuovo metodo di rilevamento potrebbe cambiare le regole del gioco.
La questione se una pianta manchi o meno di acqua è sempre stata una grande sfida per gli agricoltori. Grazie alla ricerca condotta dall’Alleanza Singapore-MIT per la ricerca e la tecnologia (SMART), si presenta una soluzione innovativa.
Da un decennio i ricercatori lavorano allo sviluppo di sensori in grado di rilevare vari composti chimici. Tuttavia, adattare questi sensori per l’uso in sistemi biologici viventi come le piante si è rivelato difficile. Nuovi progressi portati da SMART permettere ora possono rilevare variazioni di pH nelle piante viventi, un’indicazione precoce dello stress idrico.
Tecnologia pionieristica: sensori COF
I ricercatori del gruppo interdisciplinare DiSTAP di SMART, in collaborazione con il Temasek Life Sciences Laboratory e il MIT, hanno sviluppato i primi sensori COF (covalent organic framework) integrati nei microaghi della fibroina della seta (SF). Questi sensori forniscono il rilevamento nella pianta dei cambiamenti fisiologici del pH. Permettono di individuare una diminuzione dell'acidità nei tessuti xilematici delle piante, avvisando così fino a 48 ore prima dei metodi tradizionali dell'insorgenza di stress idrico.
La mancanza di acqua influisce gravemente sul metabolismo delle piante, riducendo le dimensioni delle foglie, la crescita dello stelo e la proliferazione delle radici, con conseguente riduzione della resa. Se questa condizione persiste, le piante possono ingiallire, appassire e infine morire.
L'impatto sull'agricoltura
Con le crescenti sfide del cambiamento climatico, dell’aumento dei costi e della mancanza di spazio, gli agricoltori hanno difficoltà a intervenire in modo proattivo o a diagnosticare i problemi prima che i sintomi siano visibili. Integrazione di sensori come questi nelle pratiche agricole diventa una necessità di valutazioni in vivo e interventi tempestivi.
« Questo tipo di sensore può essere facilmente collegato all'impianto e interrogato con semplice strumentazione. Porta quindi analisi potenti, come gli strumenti che sviluppiamo all’interno di DiSTAP, direttamente nelle mani di agricoltori e ricercatori. ha affermato il professor Michael Strano, co-autore corrispondente, co-principale responsabile del DiSTAP e professore di ingegneria chimica di Carbon P. Dubbs al MIT.
Lo sviluppo e il funzionamento dei sensori COF
I sensori COF rappresentano un progresso significativo perché in precedenza non erano in grado di interagire con i tessuti biologici. Queste strutture organiche sono costituite da reti di molecole organiche o polimeri, contenenti atomi di carbonio legati a elementi come idrogeno, ossigeno o azoto, formando strutture cristalline che cambiano colore a seconda del pH. Questa proprietà permettere rilevamento precoce dello stress idrico mediante misurazione in tempo reale dei livelli di pH nei tessuti xilematici.
« I sensori COF-seta offrono un esempio di nuovi strumenti necessari per rendere l’agricoltura più precisa di fronte alla necessità di aumentare la sicurezza alimentare globale sotto i vincoli imposti dal cambiamento climatico, dalle risorse limitate e dalla necessità di ridurre l’impronta di carbonio. La perfetta integrazione tra nanosensori e biomateriali consente la misurazione semplice dei parametri chiave dei fluidi vegetali, come il pH, consentendo il monitoraggio della salute delle piante ha spiegato il professor Benedetto Marelli, co-autore corrispondente, ricercatore principale del DiSTAP e professore associato di ingegneria civile e ambientale al MIT.
Applicazioni future
In un articolo ad accesso aperto intitolato “ Strutture organiche covalenti cromatiche che consentono la tomografia chimica in vivo », pubblicato recentemente su Nature Communications, i ricercatori del DiSTAP documentano il loro lavoro innovativo. Mostrano come questo metodo consenta la mappatura 3D in vivo dei livelli di pH nei tessuti vegetali con solo la fotocamera di uno smartphone, fornendo un approccio minimamente invasivo rispetto ai metodi ottici tradizionali.
Quattro composti COF sono stati progettati e sintetizzati per mostrare cromismo acido sintonizzabile (cambiamenti di colore associati alle variazioni di pH) con microaghi SF rivestiti con uno strato di pellicola COF. La trasparenza dei microaghi e della pellicola COF permettere osservazione in vivo e visualizzazione delle distribuzioni spaziali del pH attraverso cambiamenti di colore sensibili al pH.
« Basandosi sul nostro lavoro precedente con pellicole COF-SF biodegradabili in grado di rilevare il deterioramento degli alimenti, abbiamo sviluppato un metodo per rilevare le variazioni di pH nei tessuti vegetali. Se utilizzati sulle piante, i composti COF cambiano dal rosso scuro al rosso all’aumentare del pH nei tessuti xilematici, indicando che le piante stanno vivendo uno stress idrico e richiedono un intervento precoce per evitare perdite di rendimento ha detto Song Wang, ricercatore presso SMART DiSTAP e co-primo autore.
« I microaghi SF sono robusti e possono essere progettati per rimanere stabili anche quando si interfacciano con i tessuti biologici. Sono inoltre trasparenti e consentono la mappatura multidimensionale in modo minimamente invasivo. In combinazione con le pellicole COF, gli agricoltori ora dispongono di uno strumento di precisione per monitorare la salute delle piante in tempo reale e rispondere meglio a sfide come la siccità e migliorare la resilienza delle colture ha aggiunto Yangyang Han, ricercatore post-dottorato presso SMART DiSTAP e co-primo autore.
Questo studio getta le basi per gli sviluppi futuri nell'imaging chimico tomografico basato su microaghi COF-SF di piante con sensori COF. I ricercatori DiSTAP intendono espandere questa tecnologia oltre il rilevamento del pH, concentrandosi sul rilevamento di un’ampia gamma di analiti biologicamente rilevanti come ormoni vegetali e metaboliti.
Didascalia dell'illustrazione: Le polveri dei sensori cromatici sensibili al PH, basate su una struttura organica covalente (COF), sviluppate dai ricercatori SMART DiSTAP, mostrano cambiamenti visivi di colore al rilevamento precoce dello stress da calore. Credito: intelligente
Articolo: « Strutture organiche covalenti cromatiche che consentono la tomografia chimica in vivo » – DOI: s41467-024-53532-7
Fonte: MIT
