Il recente studio di due centri di ricerca di Singapore ha evidenziato il potenziale di alcuni strumenti analitici nel fornire, in tempo reale, informazioni sulle condizioni di salute delle piante agrarie. L’obiettivo è uno solo: monitorare le colture per proteggerle e migliorarne la resa.

TAKEAWAY

• Secondo le stime ONU, la popolazione mondiale dovrebbe crescere di 2 miliardi entro i prossimi 30 anni, portando a un aumento importante della domanda di prodotti alimentari e agricoli.
• Allo stesso tempo, stress ambientali, agenti patogeni delle piante, cambiamenti climatici e inquinamento del suolo compromettono la produttività delle colture e il rendimento agricolo a livello globale.
• Un recente studio ha evidenziato il potenziale di alcuni strumenti analitici nel fornire, in tempo reale, informazioni sulle condizioni di salute delle piante agrarie, allo scopo di monitorare le colture per proteggerle e migliorarne la resa.

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Tecnologie per l’agricoltura sostenibile, ovvero dispositivi ad hoc per un’agricoltura rispettosa delle risorse naturali quali acqua, fertilità del suolo, biodiversità e che non utilizza sostanze chimiche inquinanti. Un’agricoltura che, secondo la definizione dell’Agricultural Sustainability Institute, “ha come obiettivo soddisfare il fabbisogno attuale globale di alimenti, ma senza compromettere la capacità, da parte delle generazioni future, di soddisfare, a loro volta, il proprio fabbisogno”. E proprio qui sta il nodo critico

Secondo le stime dell’Organizzazione delle Nazioni Unite, la popolazione mondiale dovrebbe crescere di 2 miliardi entro i prossimi 30 anni, dando luogo a un previsto aumento della domanda di prodotti alimentari e di prodotti agricoli. Ma, allo stesso tempo, stress ambientali, agenti patogeni delle piante, improvvise fluttuazioni di temperatura, siccità, salinità del suolo e inquinamento da metalli tossici – aggravati dai cambiamenti climatici – compromettono la produttività delle colture e portano a perdite significative nel rendimento agricolo a livello globale.

In questo scenario fosco, si prevede, in particolare, una perdita di rendimento che va dall’11 al 30% di cinque colture di importanza mondiale – grano, riso, mais, patate e soia – causata da agenti patogeni e insetti.

Insomma, il problema che si pone ha dimensioni importanti, la cui complessità chiama in causa più attori. Oltre alle Istituzioni e al ruolo della politica socio-economica, il prendersi cura dei processi e delle dinamiche che caratterizzano le coltivazioni, in vista di un bisogno di cibo sempre maggiore, vede protagonista anche la tecnologia.

A tale riguardo, il recente studio congiunto di due centri di ricerca di Singapore – Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) e Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) – ha evidenziato il potenziale di alcuni strumenti analitici nel fornire, in tempo reale, informazioni specifiche sulle cellule tissutali e sugli organuli delle piante agrarie. L’obiettivo è uno solo: monitorare lo stato di salute delle colture per proteggerle.

Tecnologie per l’agricoltura sostenibile: lo studio dei centri di ricerca di Singapore

Nel documento prospettico intitolato “Species-independent analytical tools for next-generation Agriculture” – pubblicato a febbraio 2021 sulla rivista Nature Plants – il team di studio spiega di avere sviluppato due strumenti di nuova generazione: i nanosensori vegetali ingegnerizzati e l’analizzatore portatile di spettroscopia Raman.

La spettroscopia Raman, in particolare, è quella tecnica di misurazione e studio dello spettro elettromagnetico che sfrutta l’interazione della luce con la materia, per ottenere informazioni sulla struttura e sulle caratteristiche di un determinato materiale.

I due strumenti messi a punto sono stati concepiti per rilevare lo stress biotico (indotto da un altro organismo vivente) e abiotico (indotto da carenza o da eccesso di un fattore di natura ambientale) delle piante e del suolo, in modo minimamente invasivo.

Nel dettaglio, i nanosensori vegetali sviluppati sono sensori su nanoscala – cioè più piccoli della larghezza di un capello – da inserire nei tessuti delle piante. Mentre, lo spettroscopio Raman portatile è un dispositivo portatile basato su laser, il cui compito è misurare le vibrazioni molecolari della pianta (indotte dal laser), fornendo così l’ “impronta digitale” della sua salute

Questi strumenti, insieme, sono in grado di monitorare, in brevi scale temporali (da pochi secondi a pochi minuti), i segnali di stress ai danni delle colture, consentendone il rilevamento e la diagnosi in tempo reale. Osserva il professor Tedrick Thomas Salim Lew, tra gli autori principali dello studio:

“L’uso di nanosensori e dello spettroscopio Raman rappresenta un progresso nella comprensione della salute, del comportamento e delle dinamiche delle colture negli ambienti agricoli“

Le piante agrarie sono macchine complesse all’interno di un ecosistema dinamico, ricorda il professore. Lo studio del loro funzionamento e delle diverse comunità microbiche che compongono il loro ecosistema è importante per arrivare a informazioni utili agli agricoltori, atte a consentire pratiche agricole sostenibili.

Inoltre, le tecnologie per l’agricoltura sostenibile e strumenti come i nanosensori vegetali e la spettroscopio Raman portatile aiutano a rispondere a una sfida chiave: colmare il divario di conoscenze tra le piante coltivate in laboratorio e le colture agricole dei campi e dei grandi impianti di produzione.

Migliorare la crescita, la resa e le proprietà nutritive delle piante agrarie

A differenza delle tecniche di ingegneria genetica, applicabili solo a piante modello in laboratorio, c’è da notare che queste tecnologie per l’agricoltura sostenibile si applicano sul campo (grazie allo strumento portatile come lo spettroscopio Raman) a qualsiasi specie vegetale.

Più nello specifico, i dati rilevati dai nanosensori vegetali e dallo spettroscopio Raman portatile si traducono, nel concreto, in informazioni preziose per gli agricoltori, estremamente utili a prendere decisioni relative alla gestione delle colture e alla prevenzione della perdita di resa e di qualità dei raccolti.

Dall’analisi dei dati, e in base alle risposte interne all’impianto, viene, ad esempio, regolato l’utilizzo di fertilizzanti e di acqua. E, dopo gli interventi correttivi, il controllo dei feedback in tempo reale contribuisce a migliorare la crescita, la nutrizione e le proprietà delle piante.

“Per facilitare l’adozione diffusa di queste tecnologie in agricoltura, dobbiamo convalidare il loro potenziale economico e l’affidabilità, assicurandoci che rimangano efficienti in termini di costi e più efficaci degli approcci esistenti” aggiunge il professor Chua Nam Hai, tra gli autori dello studio e vicepresidente del Temasek Life Sciences Laboratory.

E conclude specificando che la collaborazione tra ingegneri, biologi vegetali e Data Scientist, unitamente a ulteriori test sul campo di nuovi strumenti, seguiti da valutazioni critiche circa la loro robustezza e il loro potenziale economico, saranno importanti per garantire l’implementazione sostenibile delle tecnologie nell’agricoltura di domani.