Un capteur végétal portable : les ingénieurs du NCSU conçoivent un patch pour surveiller les maladies et autres facteurs de stress

RALEIGH – Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord ont développé un patch que les plantes peuvent « porter » pour surveiller en permanence les maladies des plantes ou d’autres stress, tels que les dommages aux cultures ou la chaleur extrême.

"Nous avons créé un capteur portable qui surveille le stress et les maladies des plantes de manière non invasive en mesurant les composés organiques volatils (COV) émis par les plantes", explique Qingshan Wei, auteur co-correspondant d'un article sur l'œuvre. Wei est professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire à NC State.

Les méthodes actuelles de test du stress ou des maladies des plantes consistent à prélever des échantillons de tissus végétaux et à effectuer un test en laboratoire. Cependant, cela ne donne aux producteurs qu’une seule mesure, et il y a un décalage entre le moment où les producteurs prélèvent un échantillon et le moment où ils obtiennent les résultats du test.

Les plantes émettent différentes combinaisons de COV selon les circonstances. En ciblant les COV liés à des maladies spécifiques ou au stress des plantes, les capteurs peuvent alerter les utilisateurs de problèmes spécifiques.

« Notre technologie surveille en permanence les émissions de COV de l'usine, sans nuire à l'usine », explique Wei. « Le prototype que nous avons présenté stocke ces données de surveillance, mais les futures versions transmettront les données sans fil. Ce que nous avons développé permet aux producteurs d'identifier les problèmes sur le terrain – ils n'auraient pas à attendre de recevoir les résultats des tests d'un laboratoire.

Les patchs rectangulaires mesurent 30 millimètres de long et sont constitués d'un matériau flexible contenant des capteurs à base de graphène et des nanofils d'argent flexibles. Les capteurs sont recouverts de divers ligands chimiques qui répondent à la présence de COV spécifiques, permettant au système de détecter et de mesurer les COV présents dans les gaz émis par les feuilles de la plante.

Les chercheurs ont testé un prototype de l’appareil sur des plants de tomates. Le prototype a été mis en place pour surveiller deux types de stress : les dommages physiques à la plante et l'infection par P. infestans, l'agent pathogène responsable du mildiou des tomates. Le système a détecté les changements de COV associés aux dommages physiques dans un délai d'une à trois heures, selon la distance entre les dommages et le site du patch.

Détecter la présence de P. infestans a pris plus de temps. La technologie n’a détecté les changements dans les émissions de COV que trois à quatre jours après que les chercheurs ont inoculé les plants de tomates.

"Ce n'est pas beaucoup plus rapide que l'apparition des symptômes visuels du mildiou", explique Wei. « Cependant, le système de surveillance signifie que les producteurs n'ont pas besoin de se fier à la détection de symptômes visuels infimes. Une surveillance continue permettrait aux producteurs d’identifier les maladies des plantes le plus rapidement possible, les aidant ainsi à limiter la propagation de la maladie.

"Nos prototypes peuvent déjà détecter 13 COV végétaux différents avec une grande précision, permettant aux utilisateurs de développer un ensemble de capteurs personnalisés qui se concentrent sur les stress et les maladies qu'un producteur juge les plus pertinents", explique Yong Zhu, co-auteur correspondant de l'article et Andrew A. Adams Professeur émérite de génie mécanique et aérospatial à NC State.

« Il est également important de noter que les matériaux sont relativement peu coûteux », explique Zhu. « Si la fabrication était augmentée, nous pensons que cette technologie serait abordable. Nous essayons de développer une solution pratique à un problème réel et nous savons que le coût est un facteur important.

Les chercheurs travaillent actuellement au développement d’un patch de nouvelle génération capable de surveiller la température, l’humidité et d’autres variables environnementales ainsi que les COV. Et tandis que les prototypes étaient alimentés par batterie et stockaient les données sur place, les chercheurs prévoient que les futures versions soient alimentées par l'énergie solaire et capables de transférer des données sans fil.

Le papier, "Surveillance en temps réel des stress des plantes via le profilage chimirésistif des matières volatiles des feuilles par un capteur portable», est publié dans la revue Matière. Les co-premiers auteurs de l'article sont Zheng Li, ancien postdoctorant à NC State et maintenant professeur adjoint à l'Université de Shenzhen, et Yuxuan Li, titulaire d'un doctorat. étudiant à NC State. L'article a été co-écrit par Jean Ristaino, professeur émérite William Neal Reynolds de phytopathologie à NC State ; Oindrila Hossain, Rajesh Paul et Shuang Wu, titulaires d'un doctorat. étudiants de NC State; et Shanshan Yao, ancien postdoctorant à NC State et maintenant professeur adjoint à l'Université Stony Brook.

Le travail a été réalisé avec le soutien du programme d'excellence du corps professoral du Chancelier d'État de Caroline du Nord ; l'Institut Kenan pour la technologie et la science de l'ingénierie ; le programme d'incitation à la recherche révolutionnaire de NC State pour l'initiative scientifique végétale (GRIP4PSI) ; le prix du projet pilote du NC State Center for Human Health and the Environment du ministère américain de l'Agriculture, numéro 2019-67030-29311 ; Numéro de subvention USDA APHIS Farm Bill 3.0096 ; et la National Science Foundation, sous la subvention 1728370.

(C) NCSU

Source originale de l’article : WRAL TechWire