Dit artikel maakt deel uit van onze exclusieve IEEE Journal Watch-serie in samenwerking met IEEE Xplore.
Als elektrotechnisch ingenieur had James Reynolds nooit verwacht zo nauw met fabrieken samen te werken. Maar in sommige opzichten hebben zijn voorouderlijke geschiedenis en zijn eigen persoonlijke geschiedenis hem al lang naar zijn huidige onderzoek geleid, waarbij gebruik wordt gemaakt van bio-elektriciteit om de gezondheid van planten beter te begrijpen.
De familie Reynolds boert al meer dan 300 jaar in North Carolina. Hij heeft kanker overleefd en is geïnteresseerd in gezondheid en iets teruggeven aan de samenleving. En de COVID-19-pandemie gaf hem genoeg tijd om de planten die hij in de kelder van zijn grootouders kweekte nauwkeurig te analyseren.
In het komende werk dat zal worden gepubliceerd in IEEE-transacties op AgriFood Electronics(TAFE)Reynolds en collega-onderzoekers van de North Carolina State University onderzochten hoe elektrische verstoring van plantenweefsel kan worden gemonitord om gestreste planten relatief snel te identificeren – in sommige gevallen zelfs minder dan een uur.
“In dit werk hebben we ons best gedaan om een echte, toepasbare meting te creëren die een nieuwe dimensie toevoegt aan het beeld van wat er met de plant aan de hand is”, zegt Reynolds, postdoctoraal onderzoeker in het iBionicS-lab van NC State en eerste auteur van het artikel. “Ons doel is om plantenbiologen meer tools te geven, [Internet of Things] producenten en iedereen die betrokken is bij slimme landbouw of de omgang met planten.”
Voortdurende real-time monitoring van plantstress zou het mogelijk kunnen maken om gewasschade te vertragen of te voorkomen voordat planten afsterven – en dus zijn de potentiële toepassingen in slimme landbouw en precisielandbouw verschillend.
Deze informatie zou het bijvoorbeeld gemakkelijker kunnen maken voor onderzoekers op het gebied van plantenfenotypering om te vergelijken hoe verschillende planten reageren op watertekorten, waardoor deze onderzoekers droogtetolerante gewassen kunnen ontwikkelen. Boeren zouden de waterstatus van een plant rechtstreeks kunnen beoordelen – in plaats van te vertrouwen op indirecte metingen zoals het bodemvochtniveau of vertragingsindicatoren zoals vergeling van bladeren – en de bewateringsschema’s kunnen aanpassen voor hogere opbrengsten.
Stressmonitors voor planten maken
Bio-impedantie, die meet hoe levende weefsels reageren op wisselstroom of spanning, wordt al gebruikt in klinische hulpmiddelen om verschillende fysiologische markers in het menselijk lichaam te beoordelen. De bio-impedantie van planten is een onderzoek in de kinderschoenen, maar daarom niet minder nuttig: de elektrische geleidbaarheid van een plant wordt op dezelfde manier beïnvloed door factoren zoals het watergehalte van de plant.
Door een stroom op een plant aan te leggen, de resulterende spanning te meten en vervolgens de impedantie te berekenen (spanning gedeeld door stroom), kunnen onderzoekers beoordelen of de plant een gezond hydratatieniveau heeft. Wanneer de waterstanden in de plant lager zijn, is de ionenconcentratie ook lager, wat betekent dat de weerstand, en dus de bio-impedantieniveaus, hoger zullen zijn.
James Reynolds observeerde voor het eerst de correlatie tussen bio-impedantie en waterbeweging tijdens het bestuderen van palmplanten.Staatsuniversiteit van North Carolina
In dit nieuwe artikel concentreerden de onderzoekers zich op de maïs- en sojabonenplanten, gezien hun belang voor de wereldeconomie en de voedselvoorziening. Ze bevestigden 27-gauge platina-iridium naaldelektroden aan de planten, samen met een in de handel verkrijgbare potentiostaat om stroom door de planten te sturen. De onderzoekers maten de impedantie van 5 hertz tot 500 kilohertz, maar voor dit werk concentreerden ze zich op de impedantie van 5 Hz omdat deze “goed overeenkomt met het opdrogen van extracellulaire vloeistof, wat een goede indicator is voor droogtestress”, zegt Reynolds.
Het team simuleerde droogteomstandigheden door planten bloot te stellen aan polyethyleenglycol – een polymeer dat vaak in experimenten wordt gebruikt om watertekorten te veroorzaken – of door water achter te houden, en stuurde vervolgens elektriciteit door de gewassen. De resulterende veranderingen in bio-impedantiemetingen, zo ontdekten de onderzoekers, weerspiegelen zeer snel fysiologische veranderingen in de planten.
Toen het polymeer werd gebruikt om droogte te veroorzaken, stegen de bio-impedantiemetingen van planten in minder dan een uur met 25%. Een soortgelijk patroon bleef bestaan onder watergebrek, waarbij de bio-impedantiewaarden van die gewassen binnen enkele uren toenamen. Vergelijking van deze metingen met afbeeldingen, bodemvocht en relatieve bladwaterinhoud bevestigde de impedantiemetingen.
“De resultaten zijn zeer positief”, zegt Danilo Demarchi, hoofdredacteur IEEE TAFE en professor aan de afdeling Elektronica en Telecommunicatie van de Politecnico di Torino, wiens onderzoek zich richt op slimme elektronische systemen voor agrifood. Op dit punt alle implicaties [of plant bioimpedance] zijn nog niet aangetoond, dus het is van groot belang om een dieper inzicht te krijgen in de informatie die biologische impedantie kan bieden.”
Demarchi merkt op dat bio-impedantietoepassingen eenvoudig en goedkoop te implementeren zijn, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor gebruik in de precisielandbouw. Ze voegde eraan toe dat ze ook kunnen worden gebruikt in combinatie met andere sensoren die factoren zoals omgevingslicht, temperatuur en bodemvocht meten.
“Als iemand een hartprobleem heeft, geeft de eerste hulp een ECG; als je ernstig uitgedroogd bent, zullen ze elektrische sondes bij je plaatsen’, zegt Alper Bozkurt, co-auteur van het artikel en mededirecteur van NC State’s Center for Advanced Systems Integrated Sensors and Technologies (ASSIST Center).
“Het gebeurt al bij mensen, en nu is de vraag: hoe doen we dat met planten?”, vervolgt Bozkurt. “Vooral nu de bevolking groeit en mensen het platteland verlaten, moeten we als ingenieurs iets doen om gezond voedsel op de tafels van de mensen te brengen. Dat was onze motivatie.”
Slimme landbouw
Slimme landbouw, precisielandbouw en aanverwante terreinen hebben de afgelopen jaren meer onderzoeksactiviteiten aangetrokken, omdat verstedelijking en klimaatverandering aanleiding geven tot zorgen over de aanhoudende groei van de mondiale voedselvoorziening. Zo komen plantenbiologen en ingenieurs steeds vaker samen; zoals Reynolds opmerkt, omvatten zijn collega-onderzoekers in dit werk niet alleen andere NC State-ingenieurs, maar ook wetenschappers van de afdeling Crop and Soil Sciences van de universiteit.
Bozkurt was de adviseur van Reynolds voor zijn doctoraatsstudies, en in 2016 begonnen ze werk te presenteren aan nieuwe op nanocellulose gebaseerde elektroden die ze hadden ontwikkeld om de elektrochemie van planten te monitoren zonder de plant zelf te beschadigen. Reynolds wijst er echter op dat ze niet helemaal opnieuw zijn begonnen.
“We ontdekten dat plantenbiologen al lange tijd in wezen vroege elektrische impedantiemetingen aan planten deden, maar dat ze dat niet konden doen aan levende planten”, zegt Reynolds. “Ze wisten veel over de patronen op basis van deze plantonderdelen, maar ze hadden niet de elektrotechnische vaardigheden om de interpretaties te begrijpen, en eerlijk gezegd hadden we de tools nog niet.”
Nu is de elektronica kleiner, zijn de elektroden geavanceerder en heeft het Internet of Things de snelle uitbreiding van netwerktechnologieën aangewakkerd.
“Met de mogelijkheden van nu en de mate waarin de technologie is veranderd, kunnen wij als ingenieurs veel nauwer samenwerken met plantenbiologen”, zegt Reynolds. “Alles komt hier samen.”