Lucha contra el cambio climático con plantas tolerantes al calor


El cambio climático está causando grandes desafíos, especialmente para los fitomejoradores. Un robot de campo inteligente y tecnología de rayos X les ayudan a seleccionar variedades de plantas tolerantes al calor. 


por la Sociedad Fraunhofer


Los sensores en la máquina de alta tecnología fueron desarrollados por el Centro de Desarrollo Fraunhofer para Tecnología de Rayos X, una división del Instituto Fraunhofer para Circuitos Integrados IIS.

Nuestros veranos se vuelven cada vez más calurosos. Solo este verano, Alemania experimentó una ola de calor con temperaturas de hasta 40 C. La sequía resultante también afectó a las plantas. Con un amplio suministro de agua, estas plantas pueden enfriarse por evaporación. Sin embargo, no pueden hacer esto cuando están bajo estrés por sequía. Esta es la razón por la que los fitomejoradores esperan desarrollar plantas tolerantes al calor y resistentes a la sequía que puedan sobrevivir con menos agua y, sin embargo, produzcan un buen rendimiento y requieran la menor cantidad posible de fertilizantes y pesticidas.

Los mejoradores han estado recibiendo el apoyo de los investigadores de Fraunhofer EZRT, donde durante muchos años se han llevado a cabo investigaciones sobre tecnologías para determinar fenotipos de plantas. Esto se refiere a su apariencia externa, que incluye una multitud de factores como el tamaño de la hoja, la disposición de la hoja, el grosor de la raíz y el rendimiento. «La gente ha estado seleccionando cultivos en función de las características externas durante miles de años», explica el Dr. Stefan Gerth, Jefe del Departamento AMS del Centro de Desarrollo Fraunhofer para Tecnología de Rayos X. «Estamos desarrollando tecnologías para medir objetivamente estas características fenotípicas y optimizar la reproducción en función de estos datos».

Uso de imágenes 3D para predecir rendimientos

Por ejemplo, el equipo de investigación dirigido por el Dr. Gerth ha desarrollado DeBiFix, un robot de campo para aplicaciones agrícolas. A medida que DeBiFix se abre camino a través de espigas de trigo densamente pobladas, continuamente toma imágenes de rayos X de las plantas. Al mismo tiempo, genera imágenes en 3D mediante un sistema óptico. Esta es información importante para el criador propietario del campo en el que está trabajando el robot: les permite observar esencialmente dentro de las espigas de trigo y determinar si la variedad que están cultivando producirá un buen rendimiento.

Proyecto biogénico de creación de valor y agricultura inteligente

El objetivo más importante del proyecto transregional de agricultura inteligente Fraunhofer es apoyar a los criadores. El Centro Fraunhofer para Tecnologías de Fenotipado de Plantas se está lanzando en Triesdorf, Baviera, como parte de este proyecto. En este lugar, el Dr. Gerth y sus colegas tienen la intención de desarrollar su experiencia y traducirla en aplicaciones de la vida real. Triesdorf, la ciudad más pequeña de Alemania con una universidad, alberga institutos de enseñanza agrícola y la Universidad de Ciencias Aplicadas Weihenstephan-Triesdorf, lo que la convierte en un centro transregional para la agricultura. Fraunhofer IIS trabaja en estrecha colaboración con el Centro de Competencia para la Agricultura Digital ubicado allí.

Lucha contra el cambio climático con plantas tolerantes al calor
Imagen de rayos X de un tubérculo de patata. Crédito: Fraunhofer IIS

Selección de variedades de plantas tolerantes al calor.

En el cubículo de laboratorio para el fenotipado de plantas en ambientes de clima controlado en Fraunhofer EZRT en Fürth, el Dr. Gerth demuestra cómo trabajarán los fitomejoradores en el futuro. En la estrecha cinta transportadora frente a la máquina de rayos X, las macetas de varias plantas de cultivo están dispuestas en filas ordenadas. La puerta de la máquina de rayos X se abre y una olla rueda adentro. Una vez que la puerta se ha cerrado, la olla se somete a una tomografía computarizada, entre otras pruebas. Solo cinco minutos después, es hora del siguiente bote.

«Hace más de diez años, comenzamos a tomar radiografías de las plantas de papa para obtener información sobre el crecimiento de los tubérculos», informa el Dr. Gerth. «Basándonos en los escaneos de rayos X 3D, podemos determinar el peso de los tubérculos sin tener que desenterrarlos». Este proceso se está utilizando para tareas como la selección de variedades particularmente tolerantes al calor. Para ello, las plantas se someten a estrés térmico dentro del cubículo del laboratorio. Luego, los escaneos muestran qué plantas lidian con el estrés de manera más efectiva, formando tubérculos fuertes a pesar del calor.

Mientras que con los primeros escáneres de tomografía computarizada solo se podían radiografiar raíces gruesas y tubérculos, los nuevos sistemas también pueden capturar la delicada estructura de la raíz subterránea del trigo. «Nuestra nueva máquina de rayos X es el sistema más moderno y poderoso para tomar radiografías de partes de plantas subterráneas», dice el Dr. Gerth.

Los investigadores de Fraunhofer EZRT también están realizando imágenes digitales en 3D de las partes de las plantas que están sobre el suelo, como hojas y espigas de trigo. Estos datos se pueden usar para determinar más que solo el área de la superficie de la hoja: las imágenes en 3D también brindan información sobre la tolerancia al calor de la planta. ¿La planta levanta sus hojas para protegerse del sol? ¿Se le rizan las hojas por el estrés?

Uso de IA para analizar fenotipos de plantas individuales

La eficiencia de los sistemas de reconocimiento óptico de plantas de Fraunhofer EZRT se demostró claramente en un campo de prueba en la empresa de semillas Strube D&S GmbH. En este caso, se utilizó el segundo prototipo de BlueBob, un robot de campo que navega por sí mismo y elimina automáticamente las malas hierbas en los campos de remolacha azucarera. A medida que se mueve entre las filas, registra imágenes de todas las plantas vivas utilizando cámaras multiespectrales.

«Al usar inteligencia artificial , el fenotipo de cada planta individual se analiza y clasifica como maleza o remolacha», explica Christian Hügel, director del Centro Técnico de Investigación de Semillas de Strube. Si BlueBob 2.0 identifica una mala hierba, la elimina del suelo con sus herramientas de azada. Elimina las malas hierbas tanto entre las hileras (con herramientas estáticas) como dentro de las hileras (con herramientas móviles). Como resultado, se eliminan casi todas las malas hierbas alrededor de las plantas de remolacha. Esto significa que el uso de herbicidas químicos puede reducirse drásticamente.

Un importante paquete de trabajo en el nuevo centro de Triesdorf implicará el procesamiento de los datos obtenidos durante el fenotipado. «Nuestro principal objetivo es utilizar nuestra tecnología para ayudar a los pequeños y medianos productores de plantas «, enfatiza el Dr. Gerth.



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