I ricercatori hanno sviluppato un nuovo sistema di imaging progettato per monitorare la salute delle colture in campo o in serra. La nuova tecnologia potrebbe un giorno far risparmiare tempo e denaro agli agricoltori consentendo attrezzature agricole intelligenti che forniscono automaticamente alle piante acqua o sostanze nutritive ai primi segnali di pericolo. Con ulteriore sviluppo, il sistema ha il potenziale per essere utilizzato a bordo di veicoli aerei senza equipaggio per monitorare a distanza le colture.

Il sistema di imaging rileva la fluorescenza emessa dalla clorofilla, un pigmento che conferisce alle piante il loro colore verde ed è essenziale per assorbire la luce solare che le piante usano per creare energia attraverso la fotosintesi. Il monitoraggio della clorofilla e di come viene eseguita la fotosintesi in una pianta fornisce informazioni sulla salute e sulla crescita delle piante.

Nella rivista The Optical Society Ottica applicata , i ricercatori guidati da Xu Liu della Zhejiang University in Cina descrivono in dettaglio il loro nuovo sistema di imaging delle colture. Può visualizzare un'area di 45 x 34 centimetri, circa quattro volte più grande degli imager alla clorofilla disponibili in commercio.

"La maggior parte degli strumenti utilizzati per l'imaging a fluorescenza della clorofilla sono adatti solo per l'uso in laboratorio, ma vogliamo sviluppare un sistema in grado di monitorare la salute delle colture in un campo o in una serra, " ha detto Haifeng Li, un membro del gruppo di ricerca. "L'ampia area di rilevamento del nostro riproduttore d'immagini ci avvicina a questo obiettivo".

Oltre ad aiutare gli agricoltori a controllare la salute delle colture, il nuovo sistema sarà utile per studiare come le piante rispondono ai cambiamenti nelle condizioni di crescita e per la fenotipizzazione ad alto rendimento, un metodo automatizzato utilizzato nella ricerca e nello sviluppo delle colture per analizzare come le modifiche genetiche influenzano le caratteristiche delle piante come la dimensione delle foglie o la resistenza alla siccità in un gran numero di piante. La tecnica potrebbe essere modificata anche per la microscopia, consentendo l'imaging della fotosintesi all'interno delle cellule vegetali.

"L'imaging a fluorescenza della clorofilla è stato ampiamente utilizzato nella ricerca accademica, " ha detto Li. "Il nostro sistema consentirà a questa tecnica di andare oltre il laboratorio, dove può essere utilizzato per sviluppare e studiare colture con maggiore resa, Per esempio."

Più dati forniscono un quadro migliore

L'area di imaging limitata degli imager a fluorescenza della clorofilla disponibili in commercio limita questi strumenti all'imaging, al massimo, una o due piantine alla volta. Infatti, alcuni imager catturano solo la fluorescenza da poche foglie alla volta. Poiché la fotosintesi può variare da pianta a pianta e anche da foglia a foglia, molte immagini dovrebbero essere acquisite per ottenere un quadro della crescita complessiva del raccolto.

In una foto, il nuovo imager per colture può catturare la fluorescenza da sette o otto piantine, a seconda della loro dimensione. Queste piante aggiuntive forniscono dati sufficienti per ottenere un quadro reale della salute delle colture da una sola immagine. I ricercatori hanno anche incorporato un meccanismo di scansione che aumenta l'area di imaging a 2 metri di larghezza.

"Acquisindo una grande quantità di dati, il nostro sistema può ridurre significativamente l'errore coinvolto nell'analisi dello stato fisiologico di una coltura e l'efficienza del monitoraggio delle condizioni di crescita delle colture, senza richiedere ripetuti campionamenti, " disse Li.

Illuminazione di grandi superfici

Rilevare la fluorescenza dalla clorofilla richiede che il pigmento sia illuminato con una luce che ecciti le molecole nella clorofilla, facendoli emettere luce. I ricercatori hanno utilizzato 16 moduli di illuminazione ciascuno con un LED ad alta potenza per creare questa luce di eccitazione.

Per ogni modulo di illuminazione, i ricercatori hanno progettato una serie di lenti e componenti ottici che hanno creato un'area di illuminazione rettangolare attraverso un processo chiamato rimodellamento del punto. La luce di ciascun modulo è stata focalizzata al centro dell'area di imaging e sovrapposta per creare un'illuminazione forte e uniforme.

"L'area di imaging di 45 x 34 centimetri è la più grande disponibile per questo tipo di sistema di imaging, " ha affermato Li. "Il nostro strumento utilizza in modo univoco il rimodellamento del punto luminoso a LED per ottenere un'illuminazione uniforme su tutta l'area di imaging e per garantire che la maggior parte dell'energia luminosa venga utilizzata per l'illuminazione e non sprecata".

I ricercatori hanno testato il nuovo dispositivo utilizzandolo per visualizzare piantine di cetriolo cresciute in condizioni di stress che implicavano carenza di acqua o di azoto. In entrambi i casi lo strumento ha mostrato cambiamenti nella fluorescenza della clorofilla che corrispondevano al declino della salute delle piante nel tempo.

I ricercatori stanno ora lavorando per aumentare l'utilizzo dell'energia luminosa del sistema apportando miglioramenti alle tecniche di produzione, come incorporare rivestimenti per lenti, utilizzato per realizzare i componenti ottici. Vogliono anche ridurre il peso e il volume dell'imager per renderlo più mobile e più pratico per l'uso in campo e nelle serre.