Un sensore per piante indossabile: gli ingegneri della NCSU progettano un patch per monitorare malattie e altri fattori di stress

RALEIGH – I ricercatori della North Carolina State University hanno sviluppato un cerotto che le piante possono “indossare” per monitorare continuamente eventuali malattie delle piante o altri stress, come danni ai raccolti o caldo estremo.

"Abbiamo creato un sensore indossabile che monitora lo stress e le malattie delle piante in modo non invasivo misurando i composti organici volatili (COV) emessi dalle piante", afferma Qingshan Wei, co-autore corrispondente di un articolo sull'opera. Wei è un assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la NC State.

Gli attuali metodi di test per lo stress o le malattie delle piante prevedono il prelievo di campioni di tessuti vegetali e l'esecuzione di un test in laboratorio. Tuttavia, questo fornisce ai coltivatori solo una misurazione e c'è un intervallo di tempo tra il momento in cui i coltivatori prelevano un campione e quando ottengono i risultati del test.

Le piante emettono diverse combinazioni di COV in circostanze diverse. Prendendo di mira i COV rilevanti per malattie specifiche o stress delle piante, i sensori possono avvisare gli utenti di problemi specifici.

"La nostra tecnologia monitora continuamente le emissioni di COV provenienti dall'impianto, senza danneggiare l'impianto", afferma Wei. “Il prototipo che abbiamo dimostrato memorizza questi dati di monitoraggio, ma le versioni future trasmetteranno i dati in modalità wireless. Ciò che abbiamo sviluppato consente ai coltivatori di identificare i problemi sul campo: non dovranno aspettare di ricevere i risultati dei test da un laboratorio."

I cerotti rettangolari sono lunghi 30 millimetri e sono costituiti da un materiale flessibile contenente sensori a base di grafene e nanofili d'argento flessibili. I sensori sono rivestiti con vari ligandi chimici che rispondono alla presenza di COV specifici, consentendo al sistema di rilevare e misurare i COV nei gas emessi dalle foglie della pianta.

I ricercatori hanno testato un prototipo del dispositivo sulle piante di pomodoro. Il prototipo è stato impostato per monitorare due tipi di stress: danno fisico alla pianta e infezione da P. infestans, l'agente patogeno che causa la peronospora nei pomodori. Il sistema ha rilevato cambiamenti di COV associati al danno fisico entro una o tre ore, a seconda della vicinanza del danno al sito della macchia.

Rilevare la presenza di P. infestans ha impiegato più tempo. La tecnologia non ha rilevato cambiamenti nelle emissioni di COV fino a tre o quattro giorni dopo che i ricercatori hanno inoculato le piante di pomodoro.

"Questo non è molto più veloce della comparsa dei sintomi visivi della malattia della peronospora", dice Wei. “Tuttavia, il sistema di monitoraggio fa sì che i coltivatori non debbano fare affidamento sul rilevamento di piccoli sintomi visivi. Il monitoraggio continuo consentirebbe ai coltivatori di identificare le malattie delle piante il più rapidamente possibile, aiutandoli a limitare la diffusione della malattia”.

"I nostri prototipi sono già in grado di rilevare 13 diversi COV vegetali con elevata precisione, consentendo agli utenti di sviluppare una serie di sensori personalizzati che si concentrano sugli stress e sulle malattie che un coltivatore ritiene più rilevanti", afferma Yong Zhu, co-autore corrispondente dell'articolo e Andrew A. Adams Professore illustre di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la NC State.

"È anche importante notare che i materiali hanno un costo piuttosto basso", afferma Zhu. “Se la produzione venisse ampliata, riteniamo che questa tecnologia sarebbe conveniente. Stiamo cercando di sviluppare una soluzione pratica a un problema del mondo reale e sappiamo che il costo è una considerazione importante”.

I ricercatori stanno attualmente lavorando per sviluppare un cerotto di prossima generazione in grado di monitorare la temperatura, l’umidità e altre variabili ambientali, nonché i COV. E mentre i prototipi erano alimentati a batteria e memorizzavano i dati in loco, i ricercatori prevedono che le versioni future siano alimentate a energia solare e in grado di trasferire dati wireless.

La carta, "Monitoraggio in tempo reale degli stress delle piante tramite profilazione chemiresistiva dei volatili fogliari mediante un sensore indossabile”, viene pubblicato sulla rivista Questione. I co-primi autori dell'articolo sono Zheng Li, un ex postdoc presso la NC State che ora è assistente professore all'Università di Shenzhen, e Yuxuan Li, un Ph.D. studente presso NC State. L'articolo è stato scritto in collaborazione con Jean Ristaino, William Neal Reynolds Distinguished Professor of Plant Pathology presso NC State; Oindrila Hossain, Rajesh Paul e Shuang Wu, che sono Ph.D. studenti della NC State; e Shanshan Yao, ex postdoc presso la NC State che ora è assistente professore alla Stony Brook University.

Il lavoro è stato svolto con il sostegno del Programma di Eccellenza della Facoltà del Cancelliere dello Stato NC; il Kenan Institute for Engineering Technology & Science; Programma di incentivi per la ricerca rivoluzionaria dello Stato NC per l'iniziativa Plant Science (GRIP4PSI); il premio per il progetto pilota del NC State Center for Human Health and the Environment da parte del Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti, numero 2019-67030-29311; Sovvenzione USDA APHIS Farm Bill numero 3.0096; e la National Science Foundation, con la sovvenzione 1728370.

(C) NCSU

Fonte articolo originale: WRAL TechWire