El sensor de clorofila detecta el estrés de las plantas para mejorar el rendimiento de los cultivos

A medida que aumenta la población mundial, también aumenta la demanda de alimentos. Para 2050, las estimaciones sugieren que la producción de alimentos deberá aumentar entre un 60 y un 100 por ciento para satisfacer las necesidades de la población. Este aumento de la productividad, combinado con una sociedad más consciente del medio ambiente, requiere estrategias innovadoras en la producción agrícola.

Una de esas estrategias implica la detección temprana del estrés de las plantas mediante sensores de plantas portátiles. Estos dispositivos de alta tecnología monitorean parámetros vitales, como la temperatura, el estado del agua y las emisiones hormonales, proporcionando información en tiempo real sobre la salud de los cultivos directamente en el campo.

Una mirada a la clorofila

La clorofila, una molécula clave para la fotosíntesis y el crecimiento de las plantas, es un objetivo importante a tener en cuenta porque, en pocas palabras, captura la luz para convertir el agua y el dióxido de carbono en azúcar para producir energía y construir nuevos componentes estructurales de las plantas.

“Los niveles de clorofila se correlacionan con la capacidad fotosintética y la productividad. Estrés ambiental, senescencia de las plantas, [and pathogens] También influyen en el contenido de clorofila, por lo que los niveles de clorofila también pueden ser un indicador clave de la salud de las plantas”, explicó Xiaodong Chen, profesor de materiales, ciencia e ingeniería en Universidad Tecnológica de Nanyang.

Los sensores de clorofila actuales hacen un trabajo decente al determinar el contenido de clorofila en el acto, rápidamente y sin causar daño a las plantas. Sin embargo, sus componentes voluminosos los hacen inadecuados para el monitoreo continuo y, debido a que su funcionamiento depende del usuario, esto genera mediciones inconsistentes y sesgadas.

Esto ocurre especialmente cuando el operador tiene que manipular y sujetar el sensor para cada determinación, lo que significa que el ángulo de la luz incidente puede cambiar. También es difícil tomar mediciones exactamente en el mismo lugar, lo que contribuye a la variación entre mediciones.

Decididos a abordar estas limitaciones, un equipo de investigadores del Centro Innovador para Dispositivos Flexibles de la Universidad Tecnológica de Nanyang y el Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales de Singapur, dirigido por Chen, desarrollaron un sensor de clorofila mejorado. Con un peso de sólo 0,2 gramos, el sensor se puede fijar a la superficie de la hoja y dejarlo para un seguimiento continuo y más preciso.

Detrás de la configuración

A diferencia de los sensores de clorofila existentes que miden el contenido de clorofila midiendo la luz que absorbe, Chen y su equipo optaron por medir la luz que refleja; es la luz que regresa de la planta después de interactuar con la clorofila dentro de la hoja

«La transmisión y reflectancia de las hojas. […] están estrechamente relacionados con el contenido de pigmento. Sin embargo, el uso de la reflectancia de las hojas en lugar de la transmitancia hizo que fuera más fácil diseñar nuestro medidor de clorofila en un solo parche portátil”, explicó Chen.

“El sensor utiliza un LED verde y dos fotodetectores. El LED emite luz en la superficie superior de la hoja e interactúa principalmente con las clorofilas de la hoja”, dijo Chen. «Luego, los fotodetectores miden la intensidad de la luz reflejada por la hoja».

Luego se calcula el contenido de clorofila como lo inverso de la luz reflejada, ya que estudios previos han demostrado que las hojas con mayor contenido de clorofila reflejan menos luz.

Para completar el diseño del sensor, una cubierta transparente cubre el LED y los fotodetectores. Esta capa, conocida como capa conductora de luz, no sólo protege los componentes delicados sino que también desempeña un papel crucial en la mejora de la precisión del sensor.

Mejorar la precisión

La clave es la eficacia con la que los fotodetectores recogen la luz reflejada, ya que cualquier deficiencia en la recogida de luz puede provocar imprecisiones en las lecturas del contenido de clorofila.

El enfoque del equipo para mejorar la captación de luz se basó en el uso no de uno sino de dos fotodetectores, que separan su sensor de los medidores comerciales existentes, según Chen.

A continuación, se centraron en perfeccionar el diseño de la capa conductora de luz, la primera estructura que encuentra la luz al regresar de la hoja. Esta es una posible fuente de error porque la luz se curva naturalmente dependiendo del tipo y ancho del material por el que pasa. El equipo descubrió que una capa conductora de luz de 1,5 milímetros de espesor permitía una localización óptima de los rayos en los fotodetectores.

Pero quedaba un último desafío: la superficie irregular de las hojas y la superficie lisa de la capa conductora de luz provocan que el aire quede atrapado entre ellas, lo que puede doblar la luz o reflejarla sin penetrar la hoja, comprometiendo la precisión de las lecturas. Para evitar esto, el equipo eligió un material adhesivo para la capa conductora de luz que se adhiere firmemente a la lámina, eliminando el espacio de aire.

Llévalo al campo

Finalmente, llegó el momento de probar el sensor. Para ello, los científicos lo colocaron en la planta modelo. Nicotiana benthamiana en el estrés oscuro y las infecciones virales, dos condiciones que afectan los niveles de clorofila.

El rendimiento del sensor fue impresionante. No sólo identificó caídas en los niveles de clorofila, sino que lo hizo antes y con mayor precisión que otros métodos.

El beneficio del nuevo sensor fue considerable para las plantas infectadas. Se necesitaron diez días para detectar una disminución estable en el contenido de clorofila utilizando un medidor comercial convencional o una evaluación visual del amarillamiento de las plantas (un síntoma típico de la pérdida de clorofila), mientras que el nuevo sensor lo hizo en sólo tres días.

«Este parche de detección de clorofila proporciona datos en tiempo real […] «Optimizar las condiciones de crecimiento de las plantas y detectar signos tempranos de plantas no saludables para prevenir problemas potenciales, que en última instancia resultarán en mayores rendimientos agrícolas, menor desperdicio de recursos y prácticas agrícolas sostenibles», enfatizó Chen.

«[..] Nuestro medidor es prometedor en el campo de la agricultura inteligente y de precisión, pero sus aplicaciones pueden extenderse más allá de la agricultura para beneficiar a jardineros, paisajistas y entusiastas de las plantas en diversos contextos”, concluyó.

Referencia: Kaiyi Zhang, et al., Un reflectómetro de hojas parcheable para el monitoreo continuo in situ del contenido de clorofilaCiencia avanzada (2023), DOI: doi.org/10.1002/advs.202305552