Les agriculteurs et amateurs de jardins sont souvent confrontés à un dilemme : comment savoir si leurs plantes souffrent de sécheresse avant que les signes physiques ne soient évidents ? Cette interrogation soulève des questions sur la gestion de l’eau dans l’agriculture, un domaine où la précision est essentielle pour éviter des pertes de rendement. Une nouvelle méthode de détection pourrait bien changer la donne.
La question de savoir si une plante manque d’eau ou non a toujours été un défi majeur pour les agriculteurs. Grâce aux recherches menées par le Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), une solution innovante se présente.
Depuis une décennie, les chercheurs travaillent sur le développement de capteurs capables de détecter divers composés chimiques. Cependant, l’adaptation de ces capteurs pour une utilisation dans des systèmes biologiques vivants comme les plantes s’est révélée difficile. Les nouvelles avancées apportées par SMART permettent désormais de détecter les variations de pH dans les plantes vivantes, une indication précoce du stress hydrique.
Technologie pionnière : Les capteurs COF
Les chercheurs du groupe interdisciplinaire DiSTAP de SMART, en collaboration avec le Temasek Life Sciences Laboratory et le MIT, ont mis au point les premiers capteurs à cadre organique covalent (COF) intégrés dans des micraiguilles de fibroïne de soie (SF). Ces capteurs offrent une détection in-planta des changements de pH physiologiques. Ils permettent de repérer une diminution de l’acidité dans les tissus du xylème des plantes, alertant ainsi jusqu’à 48 heures avant les méthodes traditionnelles de l’apparition du stress hydrique.
Le manque d’eau affecte gravement le métabolisme des plantes, réduisant la taille des feuilles, la croissance des tiges et la prolifération des racines, entraînant une baisse de rendement. Si cette condition persiste, les plantes peuvent jaunir, flétrir et finalement mourir.
L’impact sur l’agriculture
Avec les défis croissants liés au changement climatique, l’augmentation des coûts et le manque d’espace, les agriculteurs éprouvent des difficultés à intervenir de manière proactive ou à diagnostiquer les problèmes avant que les symptômes ne soient visibles. L’intégration de capteurs comme ceux-ci dans les pratiques agricoles devient une nécessité pour des évaluations in-vivo et des interventions opportunes.
« Ce type de capteur peut être facilement fixé à la plante et interrogé avec une instrumentation simple. Il apporte ainsi des analyses puissantes, comme les outils que nous développons au sein de DiSTAP, directement aux mains des agriculteurs et des chercheurs », a affirmé le professeur Michael Strano, co-auteur correspondant, co-responsable principal de DiSTAP et professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT.
Le développement et le fonctionnement des capteurs COF
Les capteurs COF représentent une percée significative car ils étaient jusqu’alors incapables d’interagir avec les tissus biologiques. Ces cadres organiques sont constitués de réseaux de molécules ou de polymères organiques, contenant des atomes de carbone liés à des éléments comme l’hydrogène, l’oxygène ou l’azote, formant des structures cristallines qui changent de couleur en fonction du pH. Cette propriété permet une détection précoce du stress hydrique par la mesure en temps réel des niveaux de pH dans les tissus du xylème.
« Les capteurs COF-silk offrent un exemple d’outils nouveaux nécessaires pour rendre l’agriculture plus précise face à la nécessité d’augmenter la sécurité alimentaire mondiale sous les contraintes imposées par le changement climatique, les ressources limitées et la nécessité de réduire l’empreinte carbone. L’intégration sans couture entre nanosenseurs et biomatériaux permet une mesure sans effort des paramètres clés des fluides végétaux, comme le pH, ce qui permet de surveiller la santé des plantes », a expliqué le professeur Benedetto Marelli, co-auteur correspondant, chercheur principal à DiSTAP et professeur associé en génie civil et environnemental au MIT.
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Les applications futures
Dans un article en accès libre intitulé « Chromatic Covalent Organic Frameworks Enabling In-Vivo Chemical Tomography », publié récemment dans Nature Communications, les chercheurs de DiSTAP documentent leur travail innovant. Ils montrent comment cette méthode permet une cartographie 3D in-vivo des niveaux de pH dans les tissus végétaux avec seulement une caméra de smartphone, offrant une approche peu invasive par rapport aux méthodes optiques traditionnelles.
Quatre composés COF ont été conçus et synthétisés pour présenter un chromisme acide ajustable — des changements de couleur associés aux variations de pH — avec des micraiguilles SF recouvertes d’une couche de film COF. La transparence des micraiguilles et du film COF permet une observation et une visualisation in-vivo des distributions spatiales de pH à travers les modifications de couleurs sensibles au pH.
« En s’appuyant sur notre travail précédent avec des films COF-SF biodégradables capables de détecter la détérioration des aliments, nous avons développé une méthode pour détecter les changements de pH dans les tissus végétaux. Lorsqu’ils sont utilisés sur les plantes, les composés COF passent du rouge foncé au rouge lorsque le pH augmente dans les tissus du xylème, indiquant que les plantes subissent un stress hydrique et nécessitent une intervention précoce pour éviter une perte de rendement », a mentionné Song Wang, chercheur scientifique à SMART DiSTAP et co-premier auteur.
« Les micraiguilles SF sont robustes et peuvent être conçues pour rester stables même lorsqu’elles interfacent avec des tissus biologiques. Elles sont également transparentes, ce qui permet une cartographie multidimensionnelle de manière peu invasive. Associées aux films COF, les agriculteurs disposent désormais d’un outil de précision pour surveiller la santé des plantes en temps réel et mieux répondre à des défis comme la sécheresse et améliorer la résilience des cultures », a ajouté Yangyang Han, post-doctorant principal à SMART DiSTAP et co-premier auteur.
Cette étude pose les bases pour de futurs développements dans l’imagerie chimique tomographique basée sur les micraiguilles COF-SF des plantes avec des capteurs COF. Les chercheurs de DiSTAP prévoient d’étendre cette technologie au-delà de la détection du pH, en se concentrant sur la détection d’un large éventail d’analytes biologiquement pertinents comme les hormones et métabolites végétaux.
Légende illustration : Les poudres de capteurs chromiques sensibles au PH, basées sur un cadre organique covalent (COF), mises au point par les chercheurs de SMART DiSTAP, présentent des changements de couleur visuels lors de la détection précoce d’un stress dû à la sécheresse. Crédit : Smart
Article : « Chromatic covalent organic frameworks enabling in-vivo chemical tomography » – DOI: s41467-024-53532-7
Source : MIT
