Ayudar a la agricultura a ser inteligente y precisa

Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST)

Imagen: La científica de materiales Katya Pérez y el científico de plantas Yağız Alagöz colaboraron para desarrollar nuevos materiales inteligentes para mejorar la entrega precisa de micronutrientes a los cultivos.ver más

Crédito: © 2023 KAUST.

Se necesitan mejoras en la productividad de los cultivos y el valor nutricional para satisfacer la creciente demanda mundial de alimentos en términos tanto de cantidad como de calidad. Una estrategia que están investigando los investigadores de KAUST para abordar el problema es la entrega controlada de moléculas bioactivas, como compuestos estimulantes del crecimiento y micronutrientes que pueden almacenarse en frutas o granos para estimular la tolerancia al estrés y mejorar el rendimiento de los cultivos y la resistencia a los patógenos.

"Existe una clara demanda de desarrollar plataformas inteligentes para la entrega precisa y controlada de agroquímicos", dice el científico de plantas de KAUST Salim Al-Babili.

"Además de encapsular fertilizantes, también existe la necesidad de encapsular y suministrar minerales que actúen como micronutrientes humanos, como el zinc, para mejorar el valor nutricional de los cultivos".

Un equipo interdisciplinario, dirigido por Ph.D. La estudiante Katya Pérez y el postdoctorado Yagiz Alagoz, han desarrollado una nueva formulación para la administración inteligente de un imitador sintético del regulador del crecimiento zaxinona (MiZax-3), que promueve el crecimiento de las plantas con actividad estimulante del crecimiento comprobada[1].

La mineralización biomimética utilizando estructuras de imidazolato zeolítico (ZIF) es un método ampliamente utilizado para encapsular una variedad de sustancias químicas, desde pequeñas moléculas hidrofóbicas hasta grandes proteínas hidrofílicas.

"Durante la última década, hemos desarrollado una gama de plataformas que responden a estímulos que pueden encapsular una impresionante variedad de cargas, que van desde pequeños productos químicos neutros hasta productos biológicos cargados de alto peso molecular", dice Khashab.

Los investigadores utilizaron ZIF-8, que contiene zinc, un marco organometálico (MOF) a nanoescala que puede cargar eficientemente MiZax-3 como plataforma, manteniéndolo estable a altas temperaturas, en condiciones de campo de la vida real, y liberando la carga de MiZax-3 de forma dependiente del pH. Inicialmente probaron la nueva formulación, a la que llamaron MiZIF, en un experimento a pequeña escala aplicándola a plántulas de tomate y mijo perla en medios hidropónicos. La aplicación de MiZIF mejoró el peso fresco de las plántulas de tomate y mijo perla, lo que indica que el complejo MiZIF puede liberar eficazmente el bioactivo MiZax-3, que promueve el crecimiento de las plantas en la etapa temprana de las plántulas.

Pérez señala la importancia de desarrollar nuevos materiales inteligentes que sean fáciles de ampliar para una entrega precisa de micronutrientes. "La plataforma MiZIFs nos dio la oportunidad de realizar más investigación traslacional", explica.

Los alentadores hallazgos llevaron al equipo a evaluar la eficiencia de los MiZIF en la promoción del crecimiento en condiciones de campo mediante la realización de una prueba de campo a pequeña escala con pimiento. Las plántulas tratadas con MiZax-3 y MiZIF tuvieron una cantidad significativamente mayor de botones florales que el control. Además, el tratamiento ZIF-8, MiZax-3 y MiZIFs mejoró significativamente la altura de las plantas observada a las seis y ocho semanas después de los primeros tratamientos y aumentó el rendimiento registrado en dos cosechas consecutivas en comparación con el control.

Los investigadores plantearon la hipótesis de que los iones de Zn en la estructura (los iones de coordinación) estaban contribuyendo al rendimiento mejorado observado con los cultivos tratados con ZIF-8 y MIZIF. Esto es consistente con investigaciones en otros cultivos que muestran los impactos de los tratamientos con metales y micronutrientes a nanoescala en la promoción del rendimiento. Lo más importante es que las plantas tratadas con MiZIF mostraron un aumento de casi el doble en el contenido de zinc de la fruta, lo cual es muy prometedor para la fortificación con micronutrientes, lo que indica un impacto positivo del MiZax encapsulado en la mejora o el transporte de zinc desde la rizosfera a la fruta.

Alagoz dice que el trabajo abre posibilidades de emplear otros sistemas basados ​​en coordinación biocompatibles y económicamente viables para la entrega de micronutrientes específicos en la agricultura de precisión.

"Este es el primer estudio que muestra el exitoso empaquetado de MiZax-3 con MiZIF como una plataforma inteligente de entrega de agroquímicos para mejorar el rendimiento de los cultivos y el contenido de zinc de los frutos en pimiento a escala de campo", señala.

El equipo ahora está realizando experimentos a escala aún mayor en diferentes lugares y en distintas estaciones para recopilar más datos para usar esta plataforma inteligente en otras especies de cultivos. Su investigación también fue seleccionada para ser destacada en el sitio web de Science como una investigación destacada de otras revistas.

Nano letras

10.1021/acs.nanolett.2c04506

Mineralización biomimética para la entrega inteligente de bioestimulantes y la fortificación de micronutrientes de cultivos

5-jun-2023

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