Nessuno sa davvero cosa fanno le radici delle piante quando sono a casa. Scavare una pianta espone le radici, ma distrugge il tessuto naturale del suolo. Si perdono informazioni sulla disposizione naturale intatta delle radici e del suolo. Idem per studiare le radici delle piante in vaso. Infatti, non esiste un metodo sul campo non invasivo per determinare, in dettaglio, come gli apparati radicali delle piante coltivate cambiano nel tempo in risposta alle variazioni del clima o dei nutrienti del suolo.

Ecco perché il governo federale ha avviato un ambizioso programma per rivelare la vita segreta delle radici che include l'uso della risonanza magnetica (MRI) delle piante viventi nel campo.

Gli scienziati del NIST Karl Stupic e Joshua Biller stanno giocando un ruolo chiave, sostenuto dalla Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) nell'ambito di un programma chiamato ROOTS, per le osservazioni della rizosfera che ottimizzano il sequestro terrestre. Il progetto, L'imaging a risonanza magnetica per la crescita delle radici è guidato dalla Texas A&M University con i partner dell'Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging a Boston, Massachusetts, e ABQMR, Inc., un Albuquerque, Nuovo Messico, società di ricerca e sviluppo specializzata in tecnologie di risonanza magnetica.

"Quasi tutto ciò che sappiamo sulle piante è da zero, " ha detto Stupic. "Il nostro obiettivo è fornire un'immagine delle radici in una colonna di terreno intatta, utilizzando la risonanza magnetica con un campo magnetico molto basso, meno di 100 millitesla, " o 0,1 tesla. Il tesla è l'unità dell'intensità del campo magnetico nel SI, il sistema internazionale di unità.

A confronto, gli scanner MRI umani impiegano tipicamente campi potenti nell'intervallo da 1,5 a 3 tesla. Scanner di questo tipo richiedono grandi quantità di infrastrutture e non sono portatili, quindi il team ha dovuto sviluppare qualcosa che potesse rispondere alle domande che avevano sul campo.

"Vogliamo scoprire come le radici vive nel terreno interagiscono con il terreno circostante, " ha affermato Biller. "Le immagini delle radici sono fondamentali per capire come la selezione delle colture influisce sulla struttura delle radici, oltre a comprendere la funzione degli attributi del suolo come il contenuto di carbonio organico, e determinare la tolleranza di una specie alla siccità, vento, inondazioni e malattie".

Il problema è particolarmente urgente perché la qualità del suolo e i livelli di terriccio sono diminuiti nell'ultimo secolo, anche se l'agricoltura moderna sta aumentando la produttività. Secondo la dichiarazione del programma di ARPA-E, "In caso di successo, gli sviluppi realizzati nell'ambito del programma ROOTS produrranno colture che aumenteranno notevolmente l'assorbimento di carbonio nel suolo, aiutando a rimuovere l'anidride carbonica (CO ₂ ) dall'atmosfera, diminuire il protossido di azoto (N ₂ O) emissioni, e migliorare la produttività agricola".

Rizotroni e radar

Esistono molti metodi più convenzionali per esaminare le radici. Alcune ricerche utilizzano tunnel sotterranei con finestre di vetro o contenitori trasparenti chiamati rizotroni. Uno svantaggio di tali metodi è che l'area vetrata fornisce un percorso preferenziale per il flusso d'acqua, potenzialmente distorcente formazione delle radici. Anche il georadar (GPR) è stato utilizzato per rilevare la struttura delle radici. Frequenze a microonde più elevate producono una risoluzione più elevata, ma non possono penetrare così profondamente. "La struttura radicale completa di colture come il sorgo, che è al centro di questo studio, può estendersi fino a 1 metro sotto terra in base a carotaggi preliminari dei nostri collaboratori di Texas A&M. La risonanza magnetica a basso campo è un primo passo per studiare l'intera struttura della radice, " ha detto Biller.

sorgo, un cugino del mais robusto e ricco di energia, è ampiamente coltivato per l'alimentazione del bestiame e come materia prima per la produzione di biocarburanti, tra gli altri usi.

Nella risonanza magnetica, un oggetto è esposto a un campo magnetico mentre viene scansionato con eccitazione a radiofrequenza (RF). Per il programma ROOTS, il piano è di distribuire un piccolo sistema di risonanza magnetica, inizialmente di 10 pollici di diametro, ma alla fine più grande, per circondare la principale massa radicale della pianta e registrare i cambiamenti nel tempo. Il volume di imaging iniziale catturerà le strutture delle radici fino a 18 pollici sotto la superficie del terreno.

Ma poiché nessuno l'ha mai fatto prima, il progetto richiederà un'ampia sperimentazione e test prima dell'implementazione sul campo per garantire che l'apparecchiatura produca un campo magnetico omogeneo, verificare che il terreno non venga riscaldato in misura tale da danneggiare la pianta o distorcere i dati, e rispondi a decine di altre domande.

A quello scopo, il team del NIST sta costruendo uno scanner a basso campo in uno dei suoi Boulder, Colorado, laboratori. Sarà un design aperto, lungo circa 1,8 metri (6 piedi), 1 metro (3 piedi) di larghezza, e alto 2,1 metri (7 piedi), basato su un sistema ora in uso presso il Martinos Center for Biomedical Imaging. Il direttore del centro, Matteo Rosen, ha una vasta esperienza nell'uso della risonanza magnetica a basso campo (6,5 millitesla) per l'imaging umano.

Stupic e i colleghi utilizzeranno il nuovo dispositivo per trovare i modi migliori per visualizzare le radici, e per fornire campioni di riferimento standard e fantasmi, oggetti sintetici che imitano accuratamente il materiale vegetale nello scanner. Ciò garantirà la comparabilità dei dati e convaliderà i risultati che arriveranno presto dagli studi sul campo di Texas A&M utilizzando scanner interrati sviluppati da ABQMR, Inc.

"Svilupperemo dati di riferimento di base, oggetti di calibrazione del design, e crea fantasmi di piante 3D realistici, "Stupic ha detto.

Il sistema di scansione del progetto dovrebbe essere completamente funzionante durante l'estate del 2018. "L'obiettivo iniziale di ARPA-E è quello di acquisire immagini 10, 000 piante in una stagione di crescita compresa tra cinque e sette mesi, " Ha detto Stupic. "Ciò significa che dobbiamo scansionare circa 50 piante al giorno.

"Poiché parte della nostra missione è far uscire la tecnologia e utilizzarla sul campo, saremo anche coinvolti nella ricerca di modi per ridurre l'elettronica e l'hardware associato. Avremo bisogno di qualcosa che puoi portare su un piccolo camion, magari usando un ATV per correre a fianco delle piante e prendere dati. E dobbiamo fare tutto questo nel giro di pochi mesi." Il NIST fornirà aggiornamenti periodici sulle notizie man mano che il progetto procede.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.