Una planta de maíz de nueve hojas en maceta se encuentra en un plato del tamaño de un frisbee. El tándem comienza a girar como la pieza central sobre una caja de música gigante, tres grados por segundo, y después de dos minutos la planta ha hecho piruetas a su posición original.

Pasa otro minuto y en una pantalla cercana aparece una imagen digital en 3-D en la paleta del Dr. Seuss:magenta y verde azulado y amarillo, cada hoja representada en un tono diferente pero casi idéntica a su contraparte real en forma, tamaño y ángulo.

Esa representación y sus datos asociados son cortesía de LiDAR, una tecnología que dispara luz láser pulsada en una superficie y mide el tiempo que tardan esos pulsos en reflejarse; cuanto mayor es el retraso, cuanto mayor sea la distancia. Al escanear una planta a lo largo de su rotación, Esta técnica LiDAR de 360 ​​grados puede recopilar millones de coordenadas 3-D que un algoritmo sofisticado luego agrupa y moldea digitalmente en los componentes de la planta:hojas, tallos orejas.

Yufeng Ge de la Universidad de Nebraska-Lincoln, Suresh Thapa y sus colegas han ideado el enfoque como una forma de recopilar datos de manera automática y eficiente sobre el fenotipo de una planta:los rasgos físicos que surgen de su código genético. Se pueden recopilar datos fenotípicos con mayor rapidez y precisión, Los investigadores pueden comparar más fácilmente los cultivos que han sido mejorados o modificados genéticamente para características específicas, idealmente aquellos que ayudan a producir más alimentos.

Acelerar ese esfuerzo es especialmente importante, los investigadores dijeron, para satisfacer la demanda de alimentos de una población mundial que se espera que crezca de unos 7.500 millones de personas en la actualidad a casi 10.000 millones en 2050.

"Ya podemos realizar la secuenciación del ADN y la investigación genómica muy rápidamente, "dijo Ge, profesor asistente de ingeniería de sistemas biológicos. "Para utilizar esa información de forma más eficaz, tienes que emparejarlo con datos de fenotipado. Eso le permitirá volver atrás e investigar la información genética más de cerca. Pero eso es ahora (alcanzando) un cuello de botella, porque no podemos hacer eso tan rápido como queremos a un bajo costo ".

A los tres minutos por planta, La configuración del equipo funciona sustancialmente más rápido que la mayoría de las otras técnicas de fenotipado. Dijo Ge. Pero la velocidad importa poco sin precisión, por lo que el equipo también utilizó el sistema para estimar cuatro características de las plantas de maíz y sorgo. Los dos primeros rasgos, el área de la superficie de las hojas individuales y todas las hojas de una planta, ayudan a determinar cuánta fotosíntesis de producción de energía puede realizar la planta. Los otros dos, el ángulo en el que las hojas sobresalen de un tallo y cuánto varían esos ángulos dentro de una planta, influyen tanto en la fotosíntesis como en la densidad de la plantación de un cultivo en un campo.

La comparación de las estimaciones del sistema con mediciones cuidadosas de las plantas de maíz y sorgo reveló resultados prometedores:91 por ciento de concordancia en el área de superficie de hojas individuales y 95 por ciento en el área total de hojas. La precisión de las estimaciones angulares fue generalmente más baja, pero aún osciló entre el 72 y el 90 por ciento. dependiendo de la variable y tipo de planta.

Vergonzoso ante la Cámara

Hasta la fecha, La forma más común de fenotipado tridimensional se ha basado en la visión estereoscópica:dos cámaras que capturan simultáneamente imágenes de una planta y fusionan sus perspectivas en una aproximación tridimensional identificando los mismos puntos de ambas imágenes.

Aunque las imágenes han revolucionado el fenotipado de muchas formas, tiene deficiencias. El más corto, Ge dijo, es una pérdida inevitable de información espacial durante la traducción de 3-D a 2-D, especialmente cuando una parte de una planta bloquea la vista de la cámara de otra parte.

"Ha sido particularmente desafiante para rasgos como el área de la hoja y el ángulo de la hoja, porque la imagen no conserva muy bien esos rasgos, "Ge dijo.

El enfoque LiDAR de 360 ​​grados trata con menos de esos problemas, los investigadores dijeron, y exige menos recursos computacionales al construir una imagen 3D a partir de sus datos.

"LiDAR es ventajoso en términos de rendimiento y velocidad y en términos de precisión y resolución, "dijo Thapa, estudiante de doctorado en ingeniería de sistemas biológicos. "Y se está volviendo más económico (que antes)".

Avanzando, el equipo quiere introducir láseres de diferentes colores en su configuración LiDAR. La forma en que una planta refleja esos láseres adicionales ayudará a indicar cómo absorbe agua y nitrógeno, los elementos esenciales del crecimiento de la planta, y produce la clorofila necesaria para la fotosíntesis.

"Si podemos abordar esas tres (variables) en el lado químico y estas otras cuatro (variables) en el lado morfológico, y luego combinarlos, tendremos siete propiedades que podemos medir simultáneamente, "Ge dijo." Entonces seré realmente feliz ".

Los investigadores informaron sobre su nuevo enfoque en la revista. Sensores . Ge y Thapa fueron los autores del estudio con Hongfeng Yu, profesor asociado de informática e ingeniería; Feiyu Zhu, estudiante de doctorado en informática e ingeniería; y Harkamal Walia, profesor asociado de agronomía y horticultura.