Les agriculteurs et les passionnés de jardinage sont souvent confrontés à un dilemme : comment savoir si leurs plantes souffrent de sécheresse avant que les signes physiques ne soient évidents ? Cette question soulève des questions sur la gestion de l’eau en agriculture, un domaine où la précision est essentielle pour éviter les pertes de rendement. Une nouvelle méthode de détection pourrait changer la donne.
La question de savoir si une plante manque ou non d’eau a toujours été un défi majeur pour les agriculteurs. Grâce aux recherches menées par l’Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie (SMART), une solution innovante se présente.
Depuis une décennie, les chercheurs travaillent au développement de capteurs capables de détecter divers composés chimiques. Cependant, l’adaptation de ces capteurs à des systèmes biologiques vivants tels que les plantes s’est avérée difficile. Nouvelles avancées apportées par SMART permettre peut désormais détecter les variations de pH dans les plantes vivantes, signe précoce d’un stress hydrique.
Technologie pionnière : capteurs COF
Les chercheurs du groupe interdisciplinaire DiSTAP de SMART, le laboratoire des sciences de la vie Temasek et le MIT, ont développé les premiers capteurs à cadre organique covalent (COF) intégrés dans les microaiguilles de fibroïne de soie (SF). Ces capteurs permettent une détection in-planta des changements physiologiques de pH. Ils permettent d’identifier une diminution de l’acidité dans les tissus du xylème des plantes, alertant ainsi jusqu’à 48 heures avant les méthodes traditionnelles de l’apparition d’un stress hydrique.
Le manque d’eau affecte sérieusement le métabolisme des plantes, réduisant la taille des feuilles, la croissance des tiges et la prolifération des racines, entraînant une baisse du rendement. Si cette condition persiste, les plantes peuvent jaunir, se flétrir et finalement mourir.
L’impact sur l’agriculture
Face aux défis croissants du changement climatique, de l’augmentation des coûts et du manque d’espace, les agriculteurs ont du mal à intervenir de manière proactive ou à diagnostiquer les problèmes avant que les symptômes ne soient visibles. Intégrer des capteurs comme ceux-ci dans les pratiques agricoles devient une nécessité pour des évaluations in vivo et des interventions opportunes.
« Ce type de capteur peut être facilement fixé à l’usine et interrogé avec une instrumentation simple. Il met ainsi des analyses puissantes, à l’instar des outils que nous développons au sein de DiSTAP, directement entre les mains des agriculteurs et des chercheurs. a déclaré le professeur Michael Strano, auteur co-correspondant, co-responsable principal de DiSTAP et professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT.
Le développement et l’exploitation des capteurs COF
Les capteurs COF représentent une avancée significative car ils étaient auparavant incapables d’interagir avec les tissus biologiques. Ces structures organiques sont constituées de réseaux de molécules organiques ou de polymères, contenant des atomes de carbone liés à des éléments comme l’hydrogène, l’oxygène ou l’azote, formant des structures cristallines qui changent de couleur en fonction du pH. Cette propriété permettre détection précoce du stress hydrique par mesure en - réel des niveaux de pH dans les tissus du xylème.
« Les capteurs COF-soie offrent un exemple de nouveaux outils nécessaires pour rendre l’agriculture plus précise face à la nécessité d’accroître la sécurité alimentaire mondiale sous les contraintes imposées par le changement climatique, les ressources limitées et la nécessité de réduire l’empreinte carbone. L’intégration transparente entre les nanocapteurs et les biomatériaux permet de mesurer sans effort les paramètres clés des fluides végétaux, tels que le pH, permettant ainsi de surveiller la santé des plantes. a expliqué le professeur Benedetto Marelli, auteur co-correspondant, chercheur principal à DiSTAP et professeur agrégé de génie civil et environnemental au MIT.
Applications futures
Dans un article en libre accès intitulé « Cadres organiques chromatiques covalents permettant la tomographie chimique in vivo », publié récemment dans Nature Communications, les chercheurs de DiSTAP documentent leurs travaux innovants. Ils montrent comment cette méthode permet une cartographie 3D in vivo des niveaux de pH dans les tissus végétaux avec uniquement une caméra de smartphone, offrant ainsi une approche peu invasive par rapport aux méthodes optiques traditionnelles.
Quatre composés COF ont été conçus et synthétisés pour présenter un chromisme acide accordable (changements de couleur associés aux variations de pH) avec des microaiguilles SF recouvertes d’une couche de film COF. La transparence des microaiguilles et du film COF permettre observation et visualisation in vivo des distributions spatiales du pH grâce à des changements de couleur sensibles au pH.
« En nous appuyant sur nos travaux antérieurs avec des films COF-SF biodégradables capables de détecter la détérioration des aliments, nous avons développé une méthode pour détecter les changements de pH dans les tissus végétaux. Lorsqu’ils sont utilisés sur les plantes, les composés COF passent du rouge foncé au rouge à mesure que le pH augmente dans les tissus du xylème, ce qui indique que les plantes subissent un stress hydrique et nécessitent une intervention précoce pour éviter une perte de rendement. a déclaré Song Wang, chercheur scientifique chez SMART DiSTAP et co-premier auteur.
« Les microaiguilles SF sont robustes et peuvent être conçues pour rester stables même lorsqu’elles interagissent avec des tissus biologiques. Ils sont également transparents, permettant une cartographie multidimensionnelle de manière peu invasive. Combiné aux films COF, les agriculteurs disposent désormais d’un outil de précision pour surveiller la santé des plantes en - réel et mieux répondre aux défis tels que la sécheresse et améliorer la résilience des cultures. a ajouté Yangyang Han, chercheur postdoctoral senior chez SMART DiSTAP et co-premier auteur.
Cette étude jette les bases des développements futurs en matière d’imagerie chimique tomographique de plantes à base de micro-aiguilles COF-SF avec des capteurs COF. Les chercheurs de DiSTAP prévoient d’étendre cette technologie au-delà de la détection du pH, en se concentrant sur la détection d’un large éventail d’analytes biologiquement pertinents tels que les hormones végétales et les métabolites.
Légende de l’illustration : Les poudres de capteurs chromiques sensibles au pH, basées sur une structure organique covalente (COF), développée par les chercheurs de SMART DiSTAP, présentent des changements visuels de couleur lors de la détection précoce d’un stress thermique. sécheresse. Crédit : Intelligent
Article : « Charpentes organiques covalentes chromatiques permettant la tomographie chimique in vivo » – DOI : s41467-024-53532-7
Source : MIT
