O brilho saudável das plantas

Para o olho não treinado, uma folha verde brilhante é um sinal de que uma planta está indo bem. Mas para a planta fisiologistas, um brilho de baixa intensidade emitido por células fotossintéticas ativas é o verdadeiro marcador da saúde da vegetação-e até recentemente, elas não tinham ferramentas para medir esse brilho na natureza. Pesquisadores da Universidade de York, no Canadá, agora demonstraram um contador de fótons portátil que pode detectar mudanças de emissão de plantas em resposta a estressores ambientais-oferecendo uma nova ferramenta sensível para avaliar a saúde da colheita e do ecossistema in situ. A equipe apresentou o trabalho na Reunião Anual da Associação Canadense de Físicos (CAP) em junho (1).

Durante a fotossíntese, a luz photo voltaic excita moléculas de clorofila em um complexo de proteína de colheita de luz de luz, iniciando o fluxo de elétrons que acabam alimentando o metabolismo do organismo. Alguns dos elétrons excitados atingem a parte reativa da clorofila e participam de reações redox. Após a recombinação de carga no closing dessas reações, a clorofila emite fótons na parte vermelha do espectro. A intensidade da luz emitida diminui, em uma escala de tempo de milissegundos a horas, pois a recombinação de carga ocorre cada vez menos. Esta emissão é chamada de fluorescência tardia. “É o batimento cardíaco fotossintético do organismo”, diz Ozzy Mermut, biofísico de York, que é o pesquisador sênior do estudo.

Desde a década de 1970, os fisiologistas vegetais reconheceram que a intensidade de fluorescência atrasada se relaciona diretamente à saúde geral da planta. Tradicionalmente, a única maneira de medi -lo com tubos fotomultiplicados grandes e caros em laboratórios biológicos. Mas a forma da curva de emissão-decay depende do meio ambiente em torno do organismo. O diagnóstico da saúde das plantas seria idealmente feito sob as condições de mudança do cenário pure de uma planta.

Vários anos atrás, Mermut e seu colega de York, William Pietro, construíram um contador de fótons robusto com base na tecnologia miniaturizada de silício-fotomultiplal. Seu sistema do tamanho de uma pasta inclui um LED a iluminar a amostra da planta em uma câmara escura, causando fluorescência tardia. Sempre que um fóton atinge uma variedade de elementos de detecção de luz, o circuito personalizado registra um pico de tensão que pode ser convertido em contagens precisas de fótons (2). “A detecção pode ser sensível à luz perdida externa ou a qualquer tipo de ruído”, diz Pietro. Mas essa mesma sensibilidade também é o que torna possível coletar sinais diretos muito fracos da atividade fotossintética viva.

Começando com folhas recém -cortadas de plantas saudáveis, Mermut e Pietro demonstraram que seu contador de fótons poderia medir a fluorescência tardia e que também poderia detectar uma queda repentina no sinal (de 40.000 a 100 quilofotons por segundo) durante uma duração de 400 milissegundos. Eles repetiram a medição depois de enfatizar as folhas, colocando -as em um freezer. Eles também fizeram testes com exposição ao calor e à seca. “Vimos mudanças características com calor, frio e estresse na seca tanto na intensidade quanto no perfil de tempo”, diz Mermut. A intensidade da fluorescência geralmente reduziu à medida que o estresse aumentou, indicando que se pode detectar mudanças ambientais através do sinal de fluorescência atrasado-embora separar um modelo apropriado proceed sendo um desafio contínuo.

Depois de atualizar o dispositivo com filtros espectrais e câmaras de refrigeração para reduzir o ruído de fundo e melhorar a sensibilidade, os pesquisadores começaram a examinar as algas verdes e o fitoplâncton de maneira semelhante. Até agora, a fluorescência tardia raramente period medida em espécies aquáticas porque “o sinal é extremamente escuro”, diz Mermut. Na reunião do CAP, Elizabeth Allison, membro da equipe da Universidade de York, apresentou dados de espécies saudáveis ​​e estressadas pelo calor em ecossistemas aquáticos. Ela descobriu que o dispositivo deles poderia detectar a fluorescência tardia de organismos aquáticos, em explicit a partir de algas produtoras de “Bloom” que podem ultrapassar locais como os Grandes Lagos, criando condições não impulsionáveis ​​para peixes e outras espécies aquáticas. “As flores de algas são cada vez mais comuns”, diz Allison. “As algas saudáveis ​​podem empurrar o restante do ecossistema sobre o limite.”

Tendo demonstrado a capacidade de seus dispositivos em detectar espécies aquáticas, os pesquisadores estão se preparando para levar seu dispositivo para o campo. Em colaboração com Christopher Barrett, da Universidade McGill, no Canadá, eles montaram uma versão do balcão de fótons sob um drone que voará sobre faixas de áreas úmidas e campos, medindo o sinal de fluorescência atrasado. Allison espera que a obtenção de medições de linha de base de uma área aquática ou terrestre e depois volte em diferentes estações ou após eventos climáticos extremos ofereça uma ferramenta para avaliar a saúde geral. “Nossa proposta de valor única é o drone, que mede a atividade fotossintética intrínseca ou a ‘saúde’ de um organismo vivo em qualquer lugar que você queira olhar”, diz Mermut.

Essa proposição apela a Jinglu Tan, um engenheiro biomédico da Universidade do Missouri, pois as limitações de {hardware} têm sido uma grande barreira para aplicações do mundo actual da fluorescência tardia. Ele diz que Mermut e seus colegas superaram essa barreira com seu fotomultiplicador portátil de baixo custo, o que fará com que as medições de fluorescência retardada “praticamente úteis na sensação de saúde das plantas, condições ambientais e outras aplicações”.

Um aplicativo está otimizando as culturas e promovendo a segurança alimentar. As vinícolas, por exemplo, poderiam usar um drone para monitorar a saúde de suas plantas, para que possam tirar o máximo proveito de suas uvas, diz Mermut. Ela também prevê o monitoramento dos impactos da industrialização e poluição nas selvas, em ambientes marinhos e nas culturas em comunidades remotas. “Não acho que até hoje alguém tenha conseguido identificar qual estressor tem o efeito”, diz Pietro. No futuro, esses dados podem ajudar a identificar quais fatores estão tendo o maior impacto na saúde ambiental.

–Rachel Berkowitz

Rachel Berkowitz é uma editora correspondente para Revista de Física com sede em Vancouver, Canadá.

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