
Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord ont développé un patch que les plantes peuvent porter pour surveiller en permanence les maladies des plantes ou d’autres stress, tels que les dommages aux cultures ou la chaleur extrême. Crédit : Qingshan Wei, Université d’État de Caroline du Nord
Des chercheurs de Université d’État de Caroline du Nord ont développé un patch que les plantes peuvent « porter » pour surveiller en permanence les maladies des plantes ou d’autres stress, tels que les dommages aux cultures ou la chaleur extrême.
“Nous avons créé un capteur portable qui surveille le stress et les maladies des plantes de manière non invasive en mesurant les composés organiques volatils (COV) émis par les plantes”, explique Qingshan Wei, co-auteur d’un article sur le travail. Wei est professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire à NC State.
Les méthodes actuelles de test de stress ou de maladie des plantes consistent à prélever des échantillons de tissus végétaux et à effectuer une analyse en laboratoire. Cependant, cela ne donne aux producteurs qu’une seule mesure, et il y a un décalage entre le moment où les producteurs prélèvent un échantillon et le moment où ils obtiennent les résultats des tests.
Les plantes émettent différentes combinaisons de COV dans différentes circonstances. En ciblant les COV pertinents pour des maladies spécifiques ou le stress des plantes, les capteurs peuvent alerter les utilisateurs sur des problèmes spécifiques.
«Notre technologie surveille les émissions de COV de l’usine en continu, sans nuire à l’usine», explique Wei. « Le prototype dont nous avons fait la démonstration stocke ces données de surveillance, mais les futures versions transmettront les données sans fil. Ce que nous avons développé permet aux producteurs d’identifier les problèmes sur le terrain – ils n’auraient pas à attendre de recevoir les résultats des tests d’un laboratoire.
Les patchs rectangulaires mesurent 30 millimètres de long et sont constitués d’un matériau souple contenant graphèneà base de capteurs et de nanofils d’argent flexibles. Les capteurs sont recouverts de divers ligands chimiques qui répondent à la présence de COV spécifiques, permettant au système de détecter et de mesurer les COV dans les gaz émis par les feuilles de la plante.
Les chercheurs ont testé un prototype de l’appareil sur des plants de tomates. Le prototype a été mis en place pour surveiller deux types de stress : les dommages physiques à la plante et l’infection par P. infestans, l’agent pathogène responsable du mildiou de la tomate. Le système a détecté les changements de COV associés aux dommages physiques dans un délai d’une à trois heures, selon la proximité des dommages par rapport au site du patch.
La détection de la présence de P. infestans a pris plus de temps. La technologie n’a pas détecté de changements dans les émissions de COV avant trois à quatre jours après que les chercheurs ont inoculé les plants de tomates.
“Ce n’est pas beaucoup plus rapide que l’apparition des symptômes visuels de la maladie du mildiou”, explique Wei. « Cependant, le système de surveillance signifie que les producteurs n’ont pas à se fier à la détection de symptômes visuels infimes. Une surveillance continue permettrait aux producteurs d’identifier les maladies des plantes le plus rapidement possible, les aidant à limiter la propagation de la maladie.
« Nos prototypes peuvent déjà détecter 13 COV végétaux différents à haute précision, permettant aux utilisateurs de développer un réseau de capteurs personnalisés qui se concentre sur les stress et les maladies qu’un producteur juge les plus pertinents », explique Yong Zhu, co-auteur de l’article et Andrew A. Adams Distinguished Professor of Mechanical and Aerospace Engineering à NC État.
« Il est également important de noter que les matériaux sont assez peu coûteux », dit Zhu. « Si la fabrication était étendue, nous pensons que cette technologie serait abordable. Nous essayons de développer une solution pratique à un problème du monde réel, et nous savons que le coût est une considération importante.
Les chercheurs travaillent actuellement au développement d’un patch de nouvelle génération capable de surveiller la température, l’humidité et d’autres variables environnementales ainsi que les COV. Et tandis que les prototypes étaient alimentés par batterie et stockaient les données sur place, les chercheurs prévoient que les futures versions seront alimentées par l’énergie solaire et capables de transférer des données sans fil.
Référence : « Surveillance en temps réel des stress des plantes via le profilage chimique des substances volatiles des feuilles par un capteur portable » par Zheng Li, Yuxuan Liu, Oindrila Hossain, Rajesh Paul, Shanshan Yao, Shuang Wu, Jean B. Ristaino, Yong Zhu et Qingshan Wei , 7 juillet 2021, Question.
DOI : 10.1016/j.matt.2021.06.009
Les co-premiers auteurs de l’article sont Zheng Li, un ancien post-doctorant à NC State qui est maintenant professeur assistant à l’Université de Shenzhen, et Yuxuan Li, un Ph.D. étudiant à NC State. L’article a été co-écrit par Jean Ristaino, professeur distingué William Neal Reynolds de phytopathologie à NC State; Oindrila Hossain, Rajesh Paul et Shuang Wu, qui sont titulaires d’un doctorat. étudiants à NC State; et Shanshan Yao, un ancien post-doctorant à NC State qui est maintenant professeur adjoint à l’Université Stony Brook.
Le travail a été effectué avec le soutien du programme d’excellence de la faculté du chancelier de l’État de Caroline du Nord; l’Institut Kenan pour la technologie et la science de l’ingénierie; NC State’s Game-Changing Research Incentive Program for the Plant Science Initiative (GRIP4PSI); le NC State Center for Human Health and the Environment Pilot Project Award du département américain de l’Agriculture, numéro 2019-67030-29311; USDA APHIS Farm Bill numéro de subvention 3.0096 ; et la National Science Foundation, sous la subvention 1728370.