Agricultura Botánica y Genética Estados Unidos

Un estudio de ingeniería examina el crecimiento del tallo de girasol


Examinar la estructura de un tallo de girasol a medida que madura puede ayudar tanto al científico de plantas como al ingeniero de biomateriales. Esa es la premisa que Anamika Prasad, profesora asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Estatal de Dakota del Sur, está poniendo en práctica.


por Christie Delfanian, Universidad Estatal de Dakota del Sur


«Este es el primer estudio que cuantifica los cambios estructurales y de composición en el tallo de girasol en múltiples etapas del desarrollo del cultivo», dijo Prasad, señalando que la mayor parte de la literatura desde el punto de vista de la ingeniería sobre las plantas está relacionada con la madera. Los resultados se publicarán en la edición de agosto de 2020 de Materialia .

Prasad, cuya experiencia es en ciencia de materiales y biomecánica, ha realizado investigaciones sobre la estructura y la mecánica del tejido óseo y cardiovascular en colaboración con médicos durante más de 10 años.

Los médicos utilizan tomografías computarizadas de tejidos humanos sanos y enfermos «para identificar qué está mal», explicó. «Estas técnicas se han estudiado para diagnosticar enfermedades de las plantas, pero no se utilizan comúnmente». Prasad espera trabajar con científicos de plantas para aportar una perspectiva de ingeniería a los problemas de producción de cultivos, incluidas las enfermedades de las plantas.

Ese objetivo la llevó a colaborar con la patóloga de cultivos extensivos Febina Mathew, profesora asociada de agronomía, horticultura y ciencias de las plantas. La investigación de Mathew en SDSU se centra en las enfermedades de la soja, el maíz, el girasol y otros cultivos de hoja ancha.

«Este estudio nos da una perspectiva diferente sobre lo que está sucediendo dentro de una planta sana y se puede aplicar para estudiar plantas enfermas», dijo Mathew. Las enfermedades de las plantas generalmente se diagnostican mediante pruebas de laboratorio, como los métodos de identificación basados ​​en ADN / ARN. Las técnicas basadas en espectroscopia pueden complementar estos métodos de identificación para confirmar el diagnóstico de enfermedades de las plantas y, posiblemente, infecciones asintomáticas de los cultivos.

Las plantas de girasol que estudió Prasad se cultivaron bajo la supervisión de Mathew en el invernadero para protegerlas de factores estresantes bióticos, como enfermedades, malezas e insectos.

El trabajo de Prasad fue apoyado por el Fondo de Becas e Investigación de SDSU. El estudiante de doctorado Mukesh Roy trabajó en el proyecto gracias a la financiación del Departamento de Ingeniería Mecánica.

Examinar la estructura del tallo

«Las plantas anuales son una buena plantilla para diseñar compuestos poliméricos flexibles», dijo Prasad. Aunque los árboles crecen radialmente hacia afuera una vez que maduran, las plantas anuales , como los girasoles, crecen longitudinalmente durante su corto ciclo de vida. Para ver cómo cambian los tejidos vasculares dentro del tallo de la planta a medida que crecen, los investigadores examinaron una variedad de girasol sin semillas oleaginosas, recolectando muestras a las cuatro, seis, ocho y 10 semanas, que es cuando la planta comienza a florecer.

«En la cuarta semana, solo pudimos medir la circunferencia porque el vástago era demasiado blando para seccionar», dijo Prasad, y señaló que ella y Roy también tenían que averiguar cómo analizar los tejidos.

Sorprendentemente, la cantidad de células de tejido vascular no aumenta, pero la forma y el grosor de las paredes celulares cambian considerablemente para adaptarse a las demandas mecánicas y biológicas, explicó Prasad. Al principio, las células son cilindros no uniformes, pero a medida que la planta crece, adquieren una sección transversal circular uniforme, y su diámetro y espesor de pared también aumentan. En consecuencia, las células internas de almacenamiento de alimentos blandos en la médula del tallo disminuyen y los tejidos vasculares se ensanchan para adaptarse al flujo de agua y nutrientes.

«Todas estas modificaciones internas influyen en la capacidad de carga y las propiedades de conducción del flujo», dijo Prasad.

Diseño de material compuesto inspirador

«Estamos mirando la pared celular vegetal como inspiración para el diseño de compuestos y la celulosa como biomaterial para la fabricación», dijo Prasad, cuyo grupo de investigación está desarrollando la infraestructura para incorporar nanofibras de celulosa en materiales de ingeniería estructural y biomateriales para aplicaciones médicas.

Este verano, Prasad está utilizando su investigación sobre la estructura de la planta como base para diseñar materiales compuestos para aplicaciones aeroespaciales y de defensa a través de una Beca de Verano del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de los EE. UU.

«El tallo es una estructura reforzada con fibras y la celulosa es el componente básico de esa fibra», anotó. Determinar cómo la estructura de la celda maneja la tensión puede ayudar a los ingenieros a usar esa mecánica para diseñar compuestos flexibles.

Además, las diferentes capas dentro de la pared celular crecen al unísono, tocándose entre sí sin romperse, señaló Prasad. Comprender la base estructural subyacente de este contacto adhesivo puede proporcionar inspiración para el diseño de materiales compuestos.

A continuación, está examinando los cambios estructurales en la soja según la cantidad de agua y nutrientes que reciben. Para hacer esto, Prasad está trabajando con el profesor asociado de SDSU Sen Subramanian, cuya experiencia es en genética vegetal y biología molecular.


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