Nadie sabe realmente qué están haciendo las raíces de las plantas cuando están en casa. Desenterrar una planta expone las raíces, pero destruye el tejido natural del suelo. Se pierde información sobre la disposición natural intacta de las raíces y el suelo. Lo mismo ocurre con el estudio de las raíces de las plantas en macetas. De hecho, no existe un método de campo no invasivo para determinar, en detalle, cómo los sistemas de raíces de las plantas de cultivo cambian con el tiempo en respuesta a variaciones en el clima o los nutrientes del suelo.

Es por eso que el gobierno federal ha comenzado un ambicioso programa para revelar la vida secreta de las raíces que incluye el uso de imágenes por resonancia magnética (IRM) de plantas vivas en el campo.

Los científicos del NIST Karl Stupic y Joshua Biller están desempeñando un papel clave, apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) bajo un programa llamado ROOTS, para las observaciones de la rizosfera que optimizan el secuestro terrestre. El proyecto, Las imágenes de resonancia magnética para el crecimiento de las raíces están dirigidas por la Universidad de Texas A&M con socios en el Centro Athinoula A. Martinos de imágenes biomédicas en Boston. Massachusetts, y ABQMR, C ª., un albuquerque, Nuevo Mexico, firma de investigación y desarrollo especializada en tecnologías de resonancia magnética.

"Casi todo lo que sabemos sobre las plantas es desde cero, "dijo Stupic." Nuestro objetivo es proporcionar una imagen de raíces en una columna de suelo intacta, utilizando resonancia magnética con un campo magnético muy bajo, menos de 100 militesla, "o 0,1 tesla. El tesla es la unidad de intensidad del campo magnético en el SI, el sistema internacional de unidades.

En comparación, Los escáneres de resonancia magnética humana suelen emplear campos potentes en el rango de 1,5 a 3 tesla. Los escáneres de ese tipo requieren una gran cantidad de infraestructura y no son portátiles. por lo que el equipo tuvo que desarrollar algo que pudiera responder a las preguntas que tenían en el campo.

"Queremos averiguar cómo interactúan las raíces vivas del suelo con el suelo circundante, ", dijo Biller." Las imágenes de las raíces son vitales para comprender cómo el mejoramiento de cultivos afecta la estructura de las raíces, así como comprender la función de los atributos del suelo, como el contenido de carbono orgánico, y determinar la tolerancia de una especie a la sequía, viento, inundaciones y enfermedades ".

El problema es particularmente urgente porque la calidad del suelo y los niveles de la capa superficial del suelo han disminuido durante el siglo pasado. incluso cuando la agricultura moderna está aumentando la productividad. Según la declaración del programa de ARPA-E, "Si tiene éxito, Los desarrollos realizados bajo el programa ROOTS producirán cultivos que aumentarán en gran medida la absorción de carbono en el suelo, ayudando a eliminar el dióxido de carbono (CO ₂ ) de la atmósfera, disminuir el óxido nitroso (N ₂ O) emisiones, y mejorar la productividad agrícola ".

Rizotrones y radar

Hay varios métodos más convencionales para examinar las raíces. Algunas investigaciones utilizan túneles subterráneos con ventanas de vidrio o contenedores transparentes llamados rizotrones. Una desventaja de tales métodos es que el área de vidrio proporciona una ruta preferencial para el flujo de agua, potencialmente distorsionando la formación de raíces. También se ha utilizado un radar de penetración terrestre (GPR) para detectar la estructura de la raíz. Las frecuencias de microondas más altas producen una resolución más alta, pero no pueden penetrar tan profundamente. "La estructura radicular completa de cultivos como el sorgo, que es el foco de este estudio, puede extenderse hasta 1 metro por debajo del suelo según las muestras preliminares de núcleos de nuestros colaboradores en Texas A&M. La resonancia magnética de campo bajo es un primer paso en la investigación de toda la estructura de la raíz, "dijo Biller.

Sorgo, un primo del maíz resistente y rico en energía, se cultiva ampliamente para la alimentación del ganado y como materia prima para la producción de biocombustibles, entre otros usos.

En resonancia magnética, un objeto se expone a un campo magnético mientras se escanea con excitación de radiofrecuencia (RF). Para el programa ROOTS, el plan es implementar un pequeño sistema de resonancia magnética, inicialmente de 10 pulgadas de diámetro, pero eventualmente más grande, para rodear la mayor masa de raíces de la planta y registrar los cambios a lo largo del tiempo. El volumen de imagen inicial capturará las estructuras de las raíces hasta 18 pulgadas por debajo de la superficie del suelo.

Pero como nadie ha hecho esto antes, El proyecto requerirá una amplia experimentación y pruebas antes del despliegue en el campo para garantizar que el equipo esté produciendo un campo magnético homogéneo. verificar que el suelo no se esté calentando hasta el punto de dañar la planta o desviar los datos, y responder a docenas de otras preguntas.

Con ese fin, el equipo del NIST está construyendo un escáner de campo bajo en uno de sus Boulder, Colorado, laboratorios. Será un diseño abierto, de unos 1,8 metros (6 pies) de largo, 1 metro (3 pies) de ancho, y 2,1 metros (7 pies) de altura, basado en un sistema que se utiliza actualmente en el Centro Martinos de Imágenes Biomédicas. El director del centro, Matthew Rosen, tiene una amplia experiencia en el uso de resonancia magnética de campo bajo (6,5 militesla) para la obtención de imágenes en humanos.

Stupic y sus colegas utilizarán el nuevo dispositivo para encontrar las mejores formas de obtener imágenes de las raíces, y proporcionar muestras de referencia estándar y fantasmas, objetos sintéticos que imitan con precisión el material vegetal en el escáner. Eso garantizará la comparabilidad de los datos y validará los resultados que pronto obtendrán de los estudios de campo de Texas A&M utilizando escáneres en el suelo desarrollados por ABQMR. C ª.

"Vamos a desarrollar datos de referencia de referencia, diseñar objetos de calibración, y crea fantasmas de plantas realistas en 3D, "Dijo Stupic.

Se espera que el sistema de escaneo del proyecto sea completamente funcional durante el verano de 2018. "El objetivo inicial de ARPA-E es la imagen 10, 000 plantas en una temporada de crecimiento de entre cinco y siete meses, "Dijo Stupic." Eso significa que tenemos que escanear unas 50 plantas al día.

"Debido a que parte de nuestra misión es sacar la tecnología y utilizarla en el campo, también participaremos en la búsqueda de formas de reducir la electrónica y el hardware asociado. Necesitaremos algo que pueda traer en un camión pequeño, tal vez usando un ATV para correr junto a las plantas y tomar datos. Y tenemos que hacer todo esto en unos pocos meses ". NIST proporcionará actualizaciones periódicas de noticias a medida que avanza el proyecto.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.