Um sensor de clorofila detecta o estresse da planta para melhores rendimentos das culturas

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Um sensor de clorofila detecta o estresse da planta para
melhores rendimentos das culturas
O sensor poderia melhorar o rendimento das culturas, detectando mudanças nos níveis de clorofila da
planta mais cedo e mais precisamente do que os métodos existentes.
Como a população mundial aumenta, assim será a demanda por alimentos. Até 2050, as estimativas
sugerem que a produção de alimentos terá de aumentar de 60 a 100 % para satisfazer as necessidades
da população. Essa produtividade, juntamente com uma sociedade mais ambientalmente consciente,
exige estratégias inovadoras na produção agrícola.
Uma dessas estratégias envolve a detecção precoce de estresses nas plantas usando sensores usáveis
por plantas. Esses dispositivos de alta tecnologia monitoram parâmetros vitais, como temperatura, status
da água e emissões de hormônios, fornecendo informações em tempo real sobre a saúde das culturas
no campo.
Um olho na clorofila
Uma molécula chave para a fotossíntese e o crescimento das plantas, a clorofila é um alvo importante
para monitorar, pois, em termos simples, coleta luz para converter água e dióxido de carbono em açúcar
para energia e para construir novos componentes estruturais da planta.
Os níveis de clorofila se correlacionam com a capacidade fotossintética e a produtividade. Estresses
ambientais, senescência vegetal, [e patógenos] também influenciam o teor de clorofila, de modo que os
https://www.advancedsciencenews.com/artificial-leaf-sensor-could-revolutionize-crop-management/
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níveis de clorofila também podem ser um indicador-chave da saúde das plantas”, explicou Xiaodong
Chen, professor de Materiais, Ciência e Engenharia da Universidade Tecnológica de Nanyang.
Os sensores de clorofila atuais fazem um trabalho decente de determinar o conteúdo de clorofila no
local, rapidamente e sem causar danos às plantas. No entanto, seus componentes volumosos os tornam
inadequados para monitoramento contínuo e, como sua operação é dependente do usuário, isso cria
medições inconsistentes e de viés.
Isso ocorre quando o operador tem que manipular e manter o sensor para cada determinação, o que
significa que o ângulo da luz incidente pode mudar. Também é difícil fazer medições exatamente no
mesmo lugar, contribuindo para a variação entre as medições.
Comprometida em resolver essas limitações, uma equipe de pesquisadores do Centro Inovador de
Dispositivos Flexíveis na Universidade Tecnológica de Nanyang e do Instituto de Pesquisa e Engenharia
de Materiais em Cingapura, liderado por Chen, desenvolveu um sensor de clorofila atualizado. Com um
peso de apenas 0,2 gramas, o sensor pode ser anexado à superfície da folha e deixado para
monitoramento contínuo e mais preciso.
Por trás da configuração
Ao contrário dos sensores de clorofila existentes que medem o teor de clorofila medindo a luz que
absorve, Chen e sua equipe optaram por medir a luz que reflete; esta é a luz que volta da planta depois
de ter interagido com a clorofila dentro da folha.
“Tanto a transmitância e a refletância das folhas [...] estão intimamente relacionadas ao conteúdo de
pigmentos. No entanto, o uso de refletância de folhas, em vez de transmitância, facilitou o design do
nosso medidor de clorofila em um único remendo vestível”, explicou Chen.
“O sensor emprega um LED verde e dois fotodetectores. O LED emite luz para a superfície superior da
folha e interage principalmente com as clorofilas na folha”, disse Chen. “Subsequentemente, os
fotodetectores medem a intensidade da luz refletida pela folha.”
O teor de clorofila é então calculado como o recíproco da luz refletida, como estudos anteriores
demonstraram que as folhas com maior teor de clorofila refletem menos luz.
Completando o design do sensor, há uma capa transparente envolvendo o LED e os fotodetectores. Esta
tampa, conhecida como a camada de guiamento de luz, não só protege os componentes delicados, mas
também desempenha um papel crucial na melhoria da precisão do sensor.
Melhorar a precisão
A chave para isso é a eficiência com que os fotodetectores coletam a luz refletida, pois qualquer déficit
na coleta de luz pode levar a imprecisões nas leituras de conteúdo de clorofila.
A abordagem da equipe para melhorar a coleta de luz dependia do uso não de um, mas dois
fotodetectores, o que separa seu sensor dos medidores comerciais existentes, de acordo com Chen.
https://scholar.google.com.sg/citations?view_op=view_org&hl=en&org=3012140508424117850
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Então, eles se concentraram em refinar o design da camada de orientação à luz, a primeira estrutura
encontra à medida que volta da folha. Esta é uma possível fonte de erro, pois a luz se desvia
naturalmente com o tipo e a largura do material que passa. A equipe descobriu que uma camada de
orientação de luz com uma espessura de 1,5 milímetros fornecia uma localização ideal dos raios nos
fotodetectores.
Mas um desafio final permaneceu: a superfície irregular das folhas e a superfície lisa da camada de
orientação à luz favorece a captura de ar entre elas, que pode desviar a luz ou refleti-la sem entrar na
folha, comprometendo a precisão das leituras. Para evitar isso, a equipe escolheu um material adesivo
para a camada de orientação da luz que se liga firmemente à folha, eliminando o espaço de ar.
Levando-o para o campo
Finalmente, chegou a hora de testar o sensor. Para fazer isso, os cientistas o anexaram à planta modelo
Nicotiana benthamiana sob estresse escuro e infecções virais, duas condições que afetam os níveis de
clorofila.
O desempenho do sensor foi impressionante. Ele não só identificou quedas nos níveis de clorofila, mas
o fez mais cedo e com maior precisão do que outros métodos.
A vantagem do novo sensor foi dramática para as plantas infectadas. Levou dez dias para detectar uma
diminuição estável no teor de clorofila usando um medidor comercial clássico ou a avaliação visual do
amarramento da planta (um sintoma típico de perda de clorofila), enquanto o novo sensor o fez em
apenas três dias.
“Este adesivo de detecção de clorofila fornece dados em tempo real [...] para otimizar as condições de
crescimento da planta e detectar sinais precoces de plantas insalubres para evitar possíveis problemas,
resultando em maiores produtividades de culturas, redução do wastage de recursos e práticas agrícolas
sustentáveis”, destacou Chen.
“[..] Nosso medidor é promissor em agricultura inteligente e de precisão, mas suas aplicações podem se
estender além da agricultura para beneficiar jardineiros, paisagistas e entusiastas de plantas em vários
contextos”, concluiu.
Referência: Kaiyi Zhang, et al., Um Medidor de Refletância Palhalhado para Monitoramento Contínuo de
Conteúdo de Clorofila, Ciência Avançada (2023), DOI: doi.org/10.1002/advs.202305552
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202305552
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202305552
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