"Se trata de una plataforma móvil puntera en su género", afirma Tuomo Laine, especialista e investigador doctoral de Luke. "Hay plataformas integradas de fenotipado similares en otros lugares, pero esta se desplaza (con nosotros) a entornos de producción".
Tuomo y sus colegas, Alexey Shapiguzov, Satu Engström y Titta Kotilainen, de Finlandia, están experimentando con una plataforma móvil de fenotipado que ayuda a descifrar el lenguaje de las plantas in situ. Desarrollado por el científico Alexey Shapiguzov en el Instituto de Recursos Naturales de Finlandia (Luke) junto con Photon System Instruments (PSI, Drásov, República Checa) y SMO (Eeklo, Bélgica), este prototipo de sistema lleva el laboratorio de imagen directamente a los invernaderos, ofreciendo nuevas formas de controlar la salud, la fisiología y la eficiencia de las plantas con tecnologías de imagen de vanguardia.
El sistema, que llegará a la estación de investigación hortícola de Luke en Piikkiö en el verano de 2023, ya se ha instalado en invernaderos finlandeses durante todo el año, ayudando tanto a investigadores como a productores comerciales a comprender cómo responden las plantas a la luz, el estrés y las condiciones ambientales en entornos reales.
Alexey Shapiguzov y Titta Kotilainen configuran la monitorización de la fotosíntesis en pepinos cultivados horizontalmente.
Avanzar en la obtención de imágenes de plantas
Tuomo explica que el sistema móvil de fenotipado integra tres técnicas de imagen de alta precisión. Una cámara RGB de 12,36 megapíxeles capta imágenes detalladas de la morfología y el color de las plantas. Estas imágenes permiten a los investigadores controlar la dinámica de crecimiento, detectar decoloraciones, evaluar la aptitud de las plantas y analizar los cambios que indican estrés visible.
Al mismo tiempo, una unidad de imagen térmica, una cámara InfraTec con sensibilidad térmica de 20 mK y resolución IR de 1024 x 768 píxeles, mide la temperatura de las hojas y del dosel para revelar patrones de transpiración, conductancia estomática y eficiencia en el uso del agua. De este modo, los investigadores pueden detectar señales tempranas de déficit hídrico, estrés por calor o sequía, e incluso estrés biótico y enfermedades antes de que aparezcan síntomas visuales''.
Según él, quizá lo más avanzado sea el módulo de obtención de imágenes de fluorescencia clorofílica, que incorpora la FluorCam con dos cámaras intercambiables, ambas construidas por el PSI: TOMI-2, cámara de alta resolución, utilizada para los análisis clásicos de PAM (modulación de amplitud de pulso), y TOMI-3, una cámara ultrarrápida que admite mediciones de alta velocidad de fotogramas de fluorescencia inducida por flash. Estas herramientas ofrecen a los investigadores una visión directa de cómo fluye la energía luminosa a través del aparato fotosintético de la planta, revelando la eficacia con la que las plantas convierten la luz en energía bioquímica.
La plataforma puede ejecutar una amplia gama de ensayos especializados, incluyendo curvas de respuesta a la luz, análisis de enfriamiento, mediciones de transiciones de estados fotosintéticos, fotoinhibición inducida por estrés e imágenes O(J)IP, que proporcionan datos muy sensibles sobre los procesos de aclimatación dentro de la maquinaria fotosintética y los niveles de estrés.
"La versión integrada de la tecnología TOMI-3 constituye por sí sola una innovación distintiva", explica Tuomo. "Nuestro nuevo sistema móvil nos permite ejecutar imágenes ultrarrápidas inducidas por flash, el medio para la "huella digital" avanzada de la fotosíntesis, mientras nos movemos a nuestro antojo".
Las exclusivas imágenes laterales permiten analizar in situ las reacciones fotosintéticas de la luz en entornos de producción.
Tender puentes entre la investigación y la práctica
Luke ya ha colaborado estrechamente con invernaderos comerciales finlandeses para probar y validar la plataforma de fenotipado en cultivos como tomates y pepinos, trepando con elevadores de invernadero para captar la fotosíntesis en la parte superior del dosel. Estas mediciones in situ complementan los análisis en hojas desprendidas, que no siempre son precisos, sobre todo en plantas con un alto potencial hídrico tisular, como los pepinos.
"Al principio subíamos a la copa del árbol con el sistema, que pesa más de 300 kilos", explica. "Por suerte, en los tomates las hojas frescas desprendidas nos daban datos muy similares, lo que nos facilitó mucho la vida en la práctica".
La flexibilidad del sistema va aún más allá. Su diseño modular permite obtener imágenes laterales, lo que lo hace útil para cultivos altos como las frambuesas, que Laine está estudiando como parte de su investigación de doctorado. "La imagen lateral de la fluorescencia del clorofilo es otra característica exclusiva de la plataforma", afirma Laine. El equipo descubrió que las funciones fotosintéticas pueden diferir sustancialmente entre distintas variedades de frambuesa, a pesar de sus similares hábitos de crecimiento. Este hallazgo pone de relieve el potencial de la plataforma en programas de mejora genética, en los que comprender el rendimiento fisiológico de una planta puede ser tan importante como su aspecto.
En el tomate, las hojas recién desprendidas colocadas sobre una superficie húmeda mostraron una actividad fotosintética muy similar a la de las hojas de plantas intactas, lo que permitió atajar sus análisis
Ventajas reales para productores y obtentores
El valor de este sistema no se limita a los investigadores. También ofrece inmensas ventajas prácticas a los obtentores y productores. En los ensayos de mejora, el equipo de Luke ha podido identificar variaciones en la eficiencia fotosintética entre distintos genotipos, por ejemplo en frambuesa, haba, avena y patata. También han utilizado imágenes térmicas y de fluorescencia para comparar cómo responden distintas variedades de plantas a diversos tratamientos ambientales, como el exceso de luz o el encharcamiento.
Los productores comerciales de invernaderos, especialmente en el difícil clima estacional de Finlandia, también han encontrado utilidad. El equipo colabora con productores que desean experimentar con distintos espectros de luz LED y escenarios de iluminación en sus invernaderos. Esta configuración permite a los investigadores comparar cómo afectan las distintas condiciones de iluminación al estrés de las plantas, su crecimiento y el uso de recursos. Los resultados pueden ayudar a los productores a optimizar los niveles de luz y mejorar la eficiencia energética, algo cada vez más importante debido a los crecientes y fluctuantes costes de la energía.
"En el oscuro invierno finlandés, el comportamiento de las plantas es completamente distinto al del verano", afirma Laine. "Nuestro objetivo como instituto estatal de investigación es ayudar a los productores finlandeses a tomar decisiones basadas en datos sobre el entorno de sus invernaderos y los horarios de luz dinámicos, algo especialmente importante dados los costes energéticos actuales."
Mirando hacia la comercialización
En la actualidad, Luke ofrece la plataforma de fenotipado en el marco de proyectos de investigación en colaboración, en estrecha colaboración con el PSI para seguir perfeccionando y mejorando el sistema. La plataforma sigue siendo un prototipo, pero la versión comercial podría acabar beneficiando a una base de usuarios más amplia.
"Todavía estamos aprendiendo a utilizar mejor nuestra plataforma de imágenes", reflexiona Laine, "pero ya proporciona mucha información sobre cómo se adaptan las plantas a los distintos entornos de cultivo, y cómo podríamos ayudar a los productores con sus objetivos de eficiencia y sostenibilidad."
Para más información:
Instituto de Recursos Naturales de Finlandia
(Luke )
Tuomo Laine, especialista e investigador doctoral: tuomolaine profile
Alexey Shapiguzov, científico principal: alexeyshapiguzov profile
Satu Engström, científica e investigadora doctoral: satuengstrom profile
Titta Kotilainen, Profesora de Investigación: tittakotilainen profile
www.luke.fi