Una tecnologia identifica le malattie delle piante

I ricercatori della North Carolina State University hanno sviluppato una tecnologia portatile che consente agli agricoltori di identificare le malattie delle piante sul campo.

Il dispositivo portatile, che è collegato a uno smartphone, funziona campionando i composti organici volatili presenti nell'aria (COVs) rilasciati dalle piante attraverso le loro foglie.

Il dottor Qingshan Wei, (1) assistente professore di ingegneria chimica, biomolecolare, corrispondente autore di un documento sull'opera scientifica, membro di facoltà del gruppo Emerging Plant Disease e Global Food Security dello stato della North Carolina, spiega: "tutte le piante rilasciano VOCs (Volatile Organic Compounds - Composti Organici Volatili) (2) mentre respirano, ma il tipo e la concentrazione di tali VOCs cambiano quando una pianta è malata. Ogni malattia ha il suo profilo distintivo dei VOCs. Quindi, misurando il tipo e la concentrazione di VOCs rilasciati dalla pianta, è possibile determinare se una pianta è malata e - se è malata - quale malattia ha. Il nostro contributo in questo ambito è la creazione di un dispositivo che può essere collegato a uno smartphone e utilizzato per effettuare rapidamente le misurazioni dei VOCs sul campo.

Le attuali tecniche di identificazione delle malattie si basano su esami molecolari, che richiedono ore per essere eseguiti e, soprattutto, devono essere eseguite in laboratorio. Trasportare un campione in laboratorio, dove il campione potrebbe dover attendere per essere testato, può ritardare l'identificazione della malattia di giorni o settimane.

La professoressa Jean Ristaino, William Neal Reynolds, (3) distinta insegnante di patologia vegetale presso lo stato della North Carolina, coautore dello studio e direttore del cluster, afferma: “la nostra tecnologia aiuterà gli agricoltori a identificare le malattie più rapidamente, in modo che possano limitare la diffusione della patologia e il relativo danno alle colture. Ora siamo pronti per ampliare la tecnologia.”

Ecco come funziona la tecnologia. Se un agricoltore sospetta che una pianta sia malata, può prendere una foglia dalla pianta in questione e metterla in una provetta. La provetta viene quindi tappata per almeno 15 minuti per consentire l'accumulo dei relativi VOCs (Volatile Organic Compounds - Composti Organici Volatili). Dopo questo periodo di incubazione, il tappo viene rimosso e l'agricoltore utilizza uno piccolo tubo di plastica per pompare l'aria carica di VOCs in un dispositivo che funge da lettore collegato a uno smartphone.

L'aria viene pompata in una camera del lettore contenente una striscia di carta. La carta è incorporata con una serie di reagenti chimici che cambiano colore quando entrano in contatto con uno specifico gruppo chimico. Valutando la gradazione del colore risultante sulla striscia, gli utenti possono determinare la natura di qualsiasi malattia vegetale che potrebbe interessare la pianta.

Il dottor Zheng Li, (4) ricercatore post-dottorato presso la North Carolina State University e primo autore del documento, sostiene: “perché questa tecnologia funzioni, abbiamo dovuto sviluppare reagenti che potrebbero essere incorporati nelle strisce di carta. Circa la metà dei reagenti erano coloranti organici standardizzati, ma l'altra metà erano nanoparticelle d'oro che abbiamo funzionalizzato per rispondere a gruppi chimici specifici. Queste nanoparticelle funzionalizzate ci consentono di essere più precisi nel rilevare vari tipi di VOCs.”

Nei test di verifica, i ricercatori hanno dimostrato la capacità del dispositivo di rilevare e classificare fino a 10 VOCs. Sono stati in grado di rilevare il patogeno della peronospora che ha causato la carestia irlandese. I ricercatori potrebbero anche distinguere la peronospora del pomodoro da altri due importanti agenti patogeni fungini che producono sintomi simili sulle foglie di pomodoro. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato di poter rilevare l'agente patogeno Phytophthora infestans nelle foglie di pomodoro con una precisione superiore al 95%.

Il dottor Qingshan Wei afferma: “abbiamo dimostrato che la tecnologia funziona. Ci sono due aree in cui potremmo migliorarla. Innanzitutto, vorremmo automatizzare l'analisi dei modelli utilizzando il software per smartphone, il che renderebbe più semplice per gli agricoltori la determinazione delle malattie. In secondo luogo, prevediamo lo sviluppo di strisce personalizzate progettate per misurare i VOCs associati ad altre malattie specifiche di una determinata coltura. Diverse colture in diverse regioni affrontano minacce diverse e quindi potremmo sviluppare strisce di carta su misura per affrontare quelle specifiche minacce. Questo tipo di innovazione è parte integrante degli obiettivi della NC State Plant Sciences Initiative, che mira a sviluppare nuove tecnologie che miglioreranno la produzione alimentare attraverso la scienza interdisciplinare. Abbiamo anche dovuto progettare e costruire il dispositivo che funge da lettore, poiché non esiste nulla di simile sul mercato”

Il lavoro, che è stato pubblicato sul giornale Nature Plants, (5) è stato svolto con il sostegno del U.S. Department of Agriculture's Agriculture and Food Research Initiative, con il numero di sovvenzione 2019-67030-29311, il Kenan Institute for Engineering, Technology & Science e il Programma di eccellenza della NC State Chancellor's Faculty sulle malattie delle piante emergenti e Sicurezza alimentare globale.

Riferimenti:

(1) Qingshan Wei

(2) Composti organici volatili

(3) Jean Ristaino

(4) Zheng Li

(5) Non-invasive plant disease diagnostics enabled by smartphone-based fingerprinting of leaf volatiles

Descrizione foto: in dispositivo portatile che può essere collegato a uno smartphone in modo che gli agricoltori possano identificare le malattie delle piante sul campo. - Credit: Zheng Li, NC State University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Portable Tech Sniffs Out Plant Disease In The Field