Un sensor de planta portátil: los ingenieros de NCSU diseñan un parche para monitorear enfermedades y otros factores de estrés

RALEIGH – Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han desarrollado un parche que las plantas pueden "usar" para monitorear continuamente enfermedades u otros tipos de estrés, como daños a los cultivos o calor extremo.

"Hemos creado un sensor portátil que monitorea el estrés y las enfermedades de las plantas de una manera no invasiva midiendo los compuestos orgánicos volátiles (COV) emitidos por las plantas", dice Qingshan Wei, coautor correspondiente de un artículo sobre el trabajo. Wei es profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en NC State.

Los métodos actuales para detectar estrés o enfermedades en las plantas implican tomar muestras de tejido vegetal y realizar un ensayo en un laboratorio. Sin embargo, esto solo les da a los productores una medición, y hay un desfase de tiempo entre el momento en que los productores toman una muestra y el momento en que obtienen los resultados de la prueba.

Las plantas emiten diferentes combinaciones de COV en diferentes circunstancias. Al apuntar a los COV que son relevantes para enfermedades específicas o estrés de las plantas, los sensores pueden alertar a los usuarios sobre problemas específicos.

"Nuestra tecnología monitorea continuamente las emisiones de COV de la planta, sin dañarla", dice Wei. “El prototipo que hemos demostrado almacena estos datos de monitoreo, pero las versiones futuras transmitirán los datos de forma inalámbrica. Lo que hemos desarrollado permite a los productores identificar problemas en el campo; no tendrían que esperar para recibir los resultados de las pruebas de un laboratorio”.

Los parches rectangulares tienen 30 milímetros de largo y consisten en un material flexible que contiene sensores basados en grafeno y nanocables de plata flexibles. Los sensores están recubiertos con varios ligandos químicos que responden a la presencia de COV específicos, lo que permite que el sistema detecte y mida los COV en los gases emitidos por las hojas de la planta.

Los investigadores probaron un prototipo del dispositivo en plantas de tomate. El prototipo se creó para monitorear dos tipos de estrés: daño físico a la planta e infección por P. infestans, el patógeno que causa el tizón tardío en los tomates. El sistema detectó cambios de COV asociados con el daño físico en un plazo de una a tres horas, dependiendo de qué tan cerca estaba el daño del sitio del parche.

Detectar la presencia de P. infestans tomó más tiempo. La tecnología no detectó cambios en las emisiones de COV hasta tres o cuatro días después de que los investigadores inocularan las plantas de tomate.

"Esto no es mucho más rápido que la aparición de síntomas visuales de la enfermedad del tizón tardío", dice Wei. “Sin embargo, el sistema de seguimiento significa que los productores no tienen que depender de la detección de síntomas visuales diminutos. El monitoreo continuo permitiría a los productores identificar enfermedades de las plantas lo más rápido posible, ayudándoles a limitar la propagación de la enfermedad".

"Nuestros prototipos ya pueden detectar 13 COV de plantas diferentes con alta precisión, lo que permite a los usuarios desarrollar un conjunto de sensores personalizados que se centran en el estrés y las enfermedades que un productor considera más relevantes", dice Yong Zhu, coautor correspondiente del artículo y Andrew A. Adams Profesor Distinguido de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en NC State.

"También es importante tener en cuenta que los materiales tienen un coste bastante bajo", afirma Zhu. “Si se ampliara la fabricación, creemos que esta tecnología sería asequible. Estamos tratando de desarrollar una solución práctica para un problema del mundo real y sabemos que el costo es una consideración importante”.

Actualmente, los investigadores están trabajando para desarrollar un parche de próxima generación que pueda monitorear la temperatura, la humedad y otras variables ambientales, así como los COV. Y aunque los prototipos funcionaban con baterías y almacenaban los datos en el sitio, los investigadores planean que las versiones futuras funcionen con energía solar y sean capaces de transferir datos de forma inalámbrica.

El papel, "Monitoreo en tiempo real del estrés de las plantas mediante perfiles quimioresistivos de volátiles foliares mediante un sensor portátil”, se publica en la revista Asunto. Los coautores del artículo son Zheng Li, ex postdoctorado en NC State y ahora profesor asistente en la Universidad de Shenzhen, y Yuxuan Li, Ph.D. estudiante en NC State. El artículo fue coautor de Jean Ristaino, Profesor Distinguido de Patología Vegetal William Neal Reynolds en NC State; Oindrila Hossain, Rajesh Paul y Shuang Wu, Ph.D. estudiantes de NC State; y Shanshan Yao, ex postdoctorado en NC State y ahora profesor asistente en la Universidad Stony Brook.

El trabajo se realizó con el apoyo del Programa de Excelencia Docente del Canciller del Estado de Carolina del Norte; el Instituto Kenan de Tecnología y Ciencia de Ingeniería; el Programa de Incentivos a la Investigación Innovadora de NC State para la Iniciativa de Ciencias Vegetales (GRIP4PSI); el Premio al Proyecto Piloto del Centro Estatal de Salud Humana y Medio Ambiente de Carolina del Norte del Departamento de Agricultura de EE. UU., número 2019-67030-29311; Subvención número 3.0096 de la Ley Agrícola APHIS del USDA; y la Fundación Nacional de Ciencias, bajo la subvención 1728370.

(C) NCSU

Fuente del artículo original: WRAL TechWire