Detectando la salud de las plantas a través de la luz que emiten por la fluorescencia retardada

Aunque puede sonar a ciencia ficción decir que las plantas sanas brillan, esta fluorescencia retardada procede de la luz absorbida del sol, relacionada con la actividad fotosintética y la salud de la planta. Las plantas emiten este resplandor después de absorber un destello de luz.

“Podemos saber lo sana que está la planta por la intensidad de la luz roja que emiten. Cuanto más débil es la luz, menos sana está la planta. No siempre se puede saber la salud de la planta con sólo mirarla. A menudo, parece verde y sana hasta que la analizas”, afirma la profesora asociada de biofísica, Ozzy Mermut, de la Facultad de Ciencias de York.

Ahí es donde entra en juego el nuevo biosensor portátil de alta sensibilidad diseñado por Mermut y el profesor de química William Pietro. “Hemos desarrollado un dispositivo capaz de captar la emisión de luz de baja intensidad de las plantas. Esta tecnología establece un nuevo paradigma para la detección de fluorescencia retardada de forma accesible, donde los sistemas convencionales tienen un precio y un funcionamiento de campo prohibitivos”, explican los investigadores.

Biodetección y fluorescencia retardada 

El creciente peligro de los extremos climatológicos como consecuencia del cambio climático se está constituyendo como una importante amenaza a los ecosistemas vegetales, pudiendo tener numerosos efectos perjudiciales para nuestra cadena alimentaria. Las complejas interacciones entre la fisiología de las plantas y los cambios ambientales no se entienden en toda su profundidad, así como sus futuros impactos en la disponibilidad de recursos vegetales frente al cambio climático. Es por ello que, en la actualidad, existe una necesidad emergente de tecnologías de biosensores que estén diseñadas para diagnosticar la salud de las plantas in situ dentro de su entorno en constante evolución.

Una forma que tiene mucho potencial para investigar la salud de la vegetación es a través de un proceso clave de emisión de luz débil de las plantas conocido como “fluorescencia retardada” que ocurre en todas las especies fotosintéticas. 

Aunque el fotosistema II (PSII) se utiliza principalmente para la fotosíntesis de la luz, una pequeña fracción de energía en forma de luz absorbida de la clorofila fotoexcitada puede revertirse con la recombinación de carga en la cadena de transporte de electrones que conduce a la excitación P680, el centro de reacción de clorofila de PSII. Esto da como resultado la emisión de fotones a escalas de tiempo mucho más largas, de milisegundos a horas pares en comparación con la típica «fluoresidad de prompt» con emisiones pico a nanosegundo. 

Así, mientras que las reacciones y mecanismos fotosintéticos asociados con la fluorescencia retardada son altamente complejos y dependientes de la especie dentro del aparato fotosintético, se sugiere que el comportamiento cinético de esta emisión débil se puede utilizar para medir el estado fisiológico de la planta en función de las condiciones ambientales. Por ejemplo, el estado del agua, concentración de clorofila, contaminación de metales pesados, pH y estrés de temperatura, nivel de nutrientes y herbicidas, se ha comprobado que influyen en el comportamiento de la fluorescencia retardada, lo que lo convierte en un biomarcador realmente atractivo, accesible para evaluar la actividad fotosintética de la planta y monitorizar la salud.

Nuevos biosensores fotónicos altamente sensibles 

Para capturar estas emisiones de luz relacionadas con la fluorescencia retardada, se deben emplear fotodetectores altamente sensibles, que generalmente implican un coste prohibitivo, equipos de grado de laboratorio, como un tubo fotomultiplicador de recuento de fotones (PMT), un detector cuyo coste es del orden de los miles de dólares. Recientemente, sin embargo, la tecnología de fotomultiplidador de silicio SiPM ha permitido que los detectores miniaturizados y el recuento de fotones sean accesibles a una fracción del precio, de solo unos pocos cientos de dólares.

Al igual que un PMT, un SiPM proporciona una alta ganancia y una respuesta rápida en la detección de radiación. A diferencia de los voluminosos y frágiles PMT, el compacto y robusto SiPM se acciona con un voltaje mucho menor y es más robusto, pudiendo funcionar en diversos entornos externos.

Un SiPM de un solo chip consiste en una matriz de fotodiodos de avalancha de microcélulas, cada uno de los cuales funciona individualmente en modo Geiger de recuento de fotón único, lo que permite una detección sensible y resuelta en el tiempo incluso en presencia de campos magnéticos. Estas propiedades, junto con el pequeño tamaño de un detector SiPM, han encontrado recientemente nuevos usos en una variedad de dispositivos biofotónicos de detección, desde sofisticados instrumentos de imagen médica, hasta dispositivos compactos de bioquimioluminiscencia desplegables a distancia.

Resultados de la investigación 

Teniendo esto todo en cuento, los investigadores de la Universidad de York se han propuesto la concepción, diseño, y caracterización de un novedoso aparato de recuento de fotones de fluorescencia retardada integrado en SiPM, y demostrar su valía para la medición de la respuesta de las plantas a factores de estrés ambiental como el calor, el frío y la sequía.

Para ello, se estudió la fluorescencia retardada en cuatro plantas vivas y sanas recogidas en los jardines de la Universidad de York. Utilizando el biosensor de recuento de fotones basado en SiPM desarrollado, los investigadores expusieron las cuatro plantas a diversas condiciones climáticas y se medió con éxito la respuesta de las plantas al choque térmico agudo y frío, así como al estrés crónico por sequía, examinando la modificación del comportamiento de la fluorescencia retardada.

El prototipo informó del estado del aparato fotosintético de planta en función del choque térmico, que variaba según la especie vegetal y su correspondiente sensibilidad a la temperatura, marcada por cambios observables en su vida útil.

Los resultados de los experimentos revelan muestran como esta tecnología compacta, basada en el  recuento de fotones SiPM en el tiempo, es un biosensor adecuado tanto para estudiar la fluorescencia retardada como herramienta de investigación científica, como para estudiar medioambientalmente in situ biomarcadores fotosintéticos de la vegetación sin necesidad de aplicar contrastadores exógenos, procesar muestras de laboratorio complejas o equipos sofisticados.

“Sus resultados pueden informarnos sobre la reacción de las plantas en diversas condiciones ambientales, como la sequía, el estrés por choque térmico y frío o tras las inundaciones. Lo hace de una forma nueva y potente que nos permite estudiar este fenómeno de emisión de las plantas directamente sobre el terreno. Es tan sensible que puede contar fotones individuales, partículas de luz, emitidas por las plantas”, afirma Pietro.

Biosensores colocados en un dron

Dado su funcionamiento con batería, su masa ligera y su concepto de diseño miniaturizado, una valiosa implementación del dispositivo de recuento de fotones diseñado por los investigadores de York sería en una plataforma de biosensores aérea remota colocada, por ejemplo, en drones.

La adquisición de datos longitudinales de fluorescencia retardada en un dron permitiría, de forma económica, la monitorización regular no tripulada de bosques y campos agrícolas para analizar la salud de la vegetación a lo largo de sus etapas de crecimiento. Los datos también podrían proporcionar información in situ con evaluaciones periódicas correlacionadas con fenómenos meteorológicos y extremos climáticos.

Un sistema de este tipo podría determinar la eficacia del drenaje del agua, examinar la salud de los cultivos, cartografiar las zonas de estrés del suelo o de deficiencia de nutrientes, medir los efectos de los fertilizantes o pesticidas pulverizados, proporcionando así información vital para aumentar la eficiencia y el rendimiento de la agricultura. Las tierras protegidas, las reservas y los bosques podrían inspeccionarse con una configuración basada en drones que podría identificar tendencias relacionadas con el cambio climático.

“Esto es muy importante porque aproximadamente el 20% del oxígeno lo producen las selvas tropicales brasileñas. Se puede imaginar lo útil que puede llegar a ser esta tecnología en el futuro, no sólo para las plantas, sino también para los seres humanos”, concluye Mermut, que tiene experiencia en la creación de dispositivos médicos desplegables a distancia para aplicaciones sanitarias mundiales e investigación en ciencias de la vida en el espacio.

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