Nanobiosensores para determinar el Potencial Hídrico en las plantas

El potencial hídrico de las plantas es un indicador clave del estado general del cultivo y existen pocas herramientas que permitan medir este parámetro in situ.

Investigadores de la Universidad de Cornell se encuentran desarrollando una nueva tecnología que implica el uso de sensores a nanoescala o nanobiosensores y fibra óptica para medir el estado del agua dentro de la hoja, que es donde el agua de las plantas se gestiona de forma más activa.

Este avance constituye una herramienta de investigación mínimamente invasiva que apoyará enormemente en la comprensión de la fisiología vegetal y abre la puerta para la reproducción de cultivos más resistentes a la sequía. La tecnología podría eventualmente adaptarse para su uso como una herramienta agronómica para medir el estado del agua en los cultivos en tiempo real.

El estudio se realizó en plantas de maíz y es considerado un método mínimamente disruptivo para medir el potencial hídrico en la planta utilizando nanobiosensores de hidrogel.

Qué es el Hidrogel

El hidrogel es un material que tiene como característica la capacidad de absorción y liberación de agua en grandes cantidades sin disolverse. Se trata de un polímero de consistencia coloidal (gelatinosa) que tiene la capacidad de almacenar el doble o el triple de volumen de agua respecto a su peso. No es un material tóxico para la planta y permite el almacenamiento de nutrientes que se lixivian con la aplicación del riego.

Comercialmente este producto se conoce como “silo de agua” o “lluvia sólida”, y se lo aplica en forma de polvo en la base o a la raíz del cultivo; una vez que absorbe agua la inmoviliza y continúa cubriendo la demanda hídrica de la planta ayudando con esto a reducir el volumen de agua empleado en su riego.

Los objetivos del estudio

Uno de los objetivos del proyecto según Abraham Stroock (Investigador principal) es tener herramientas que permitan que la biología interna se exprese de una manera que pueda ser capturada y digitalizada; las técnicas actuales para medir el potencial hídrico requieren un muestreo destructivo de las hojas o alterar la función de las mismas, con este nuevo método se reduce el daño a la hoja y con muestreo en tiempo real dispuestas espacialmente conforme a los requerimientos.

Entendiendo como se gestiona el agua en la planta

Los tejidos de transporte de las hojas denominados xilema, se encuentra una zona interior llamada mesófilo, donde ocurre la mayor parte de la fotosíntesis. Los biólogos sospechan que desde aquí se envían señales al resto de la planta para la gestión del agua en la planta. En la superficie de las hojas y los tallos, las estomas se abren y cierran para controlar la tasa de intercambio de gases, principalmente vapor de agua y dióxido de carbono. La nueva tecnología funciona en esta zona microscópica.

Actualmente se ha demostrado que obtener una medición tan localizada, podemos diseccionar la dinámica del agua entre los tejidos de formas mínimamente invasivas.

Como funciona

La técnica consiste en inyectar nanopartículas formadas por un hidrogel sintético suave, llamado AquaDust, para medir el potencial hídrico de una hoja. El hidrogel, ocupa los espacios intersticiales entre las células del mesófilo y absorbe el agua anchándose y encogiéndose según la disponibilidad de agua en la hoja.

El hidrogel contiene tintes cuyas interacciones le permiten emitir fluorescencia en diferentes longitudes de onda dependiendo de qué tan cerca estén las moléculas de tinte entre sí. Mediante el uso de fibra óptica, los investigadores pueden hacer brillar una luz y recuperar un espectro, lo que proporciona una medida del potencial hídrico dentro de la hoja.

Los resultados de la investigación

En el estudio, los investigadores inyectaron AquaDust en varios lugares a lo largo de hojas de maíz de metros de largo y luego midieron los gradientes de agua tanto a lo largo de las hojas como a través del mesófilo. Estas medidas les permitieron desarrollar un modelo de la respuesta de los tejidos al estrés hídrico y predecir con precisión la dinámica observada en el campo.

Esta tecnología puede tener aplicaciones comerciales para la investigación de cultivos, la agricultura de producción y las industrias manufactureras, pero por ahora el enfoque de los investigadores está en las valiosas mediciones de la fisiología local de la gestión del agua en las plantas. Como herramienta de investigación, permite a los biólogos de plantas comprender mejor los extremos del estrés hídrico, lo que podría conducir a la obtención de cultivos más eficientes en el uso de agua.

Fuente: https://news.cornell.edu/stories/2021/06/nanoscale-sensors-measure-elusive-water-levels-leaves

Articulo completo: https://www.pnas.org/content/pnas/suppl/2021/05/30/2008276118.DCSupplemental/pnas.2008276118.sapp.pdf