Fenotipado para el mejoramiento vegetal y la agricultura de precisión
Proceso de fenotipado vegetal no invasivo para el monitoreo de la vegetación agrícola.
Sistemas de imagen de alta resolución para la captura rápida y no destructiva de imágenes de plantas.
¿Cómo las tecnologías avanzadas de fenotipado cambian las reglas del juego en los estudios de genotipo-fenotipo y la agricultura inteligente?
La validación y la precisión de la información fenotípica son cruciales para la investigación de las plantas y la mejora de los cultivos. El análisis fenotípico convencional de las plantas se basa en la evaluación y caracterización de la constitución de la vegetación, principalmente mediante observaciones manuales. Sin embargo, la evaluación visual y las mediciones manuales pueden ser subjetivas, propensas al sesgo humano, lentas y laboriosas, lo que da lugar a variaciones en las interpretaciones y las hace poco prácticas a gran escala.
Debido a la subjetividad en la recopilación de datos, la reproducibilidad es limitada y se dificulta la captura de los cambios dinámicos en los atributos de las plantas a lo largo del tiempo. Además, la recolección y el análisis de muestras de hojas o raíces requieren sacrificar la planta. El muestreo destructivo limita la capacidad de monitorear el desarrollo de las plantas de forma continua. El fenotipado de rasgos complejos, como los procesos fisiológicos o los tipos genéticos, puede ser difícil de medir con precisión utilizando métodos convencionales. Es posible que no se capture todo el espectro de características de las plantas relevantes para un estudio en particular.
Para abordar estos problemas, ha crecido el interés por el desarrollo y la adopción de tecnologías avanzadas de fenotipado, como plataformas de fenotipado de alto rendimiento, sistemas de monitorización basados en sensores, sistemas de imagen de alta resolución, robótica y aprendizaje automático. Estas tecnologías tienen como objetivo superar las limitaciones de los métodos convencionales proporcionando información de fenotipado más objetiva, escalable y de alta resolución, lo que facilita una mejora más eficiente de las plantas, la gestión de los cultivos y los esfuerzos de investigación.
¿Cómo influyen las técnicas de fenotipado en la agricultura de precisión?
La tecnología avanzada de fenotipado es especialmente valiosa en los programas de cultivo de plantas, los estudios genéticos y la investigación vegetal, donde es necesario examinar grandes poblaciones para detectar diversos atributos. Permite a los investigadores capturar datos fenotípicos detallados sobre un gran número de vegetación u organismos en un tiempo relativamente corto, lo que proporciona información sobre las variaciones de los rasgos, las asociaciones genéticas y las interacciones ambientales. Medir y cuantificar diversos rasgos fenotípicos en las plantas de forma precisa y coherente en una gran población es uno de los retos del fenotipado de campo. La selección de rasgos fenotípicos relevantes, como la morfología, la forma, el color, la biomasa, las respuestas fisiológicas al medio ambiente, la dinámica de crecimiento, las respuestas al estrés y los parámetros relacionados con el rendimiento de las plantas, proporcionará parámetros valiosos para la agricultura de precisión.
Apunte al objetivo, defina los ajustes de medición, grabe y visualice.
La integración de datos de teledetección y fenotipado se cubre con la tecnología de imágenes hiperespectrales (HSI), que captura parámetros valiosos con precisión y en tiempo real. Al elegir un sistema HSI, es necesario seleccionar el rango de longitud de onda adecuado en función de las características de la planta. Las características físicas, químicas y biológicas de la vegetación se ven afectadas por la forma en que la luz se refleja, se absorbe o se transmite.
- Región de luz visible (VIS) (400-700 nm): información sobre la pigmentación de las hojas, como la clorofila o los carotenoides.
- Región del infrarrojo cercano (NIR) (700-1000 nm): cambios en la estructura celular de las plantas para detectar el estrés vegetal, medición de los cambios en la pigmentación de las hojas.
- Región del infrarrojo de onda corta (SWIR) (1000-2500 nm): información sobre el contenido de agua y proteínas de la planta.
Los retos que plantea el fenotipado de alto rendimiento repercuten en el coste, las complejidades técnicas, la estandarización de los protocolos y la necesidad de contar con conocimientos especializados. Aquí es donde una cámara hiperespectral (HSI) supone un cambio revolucionario para impulsar la adopción y el perfeccionamiento del fenotipado avanzado en la ciencia vegetal y campos relacionados.
Beneficios
Identificar los atributos clave para la selección con el fin de acelerar los programas de mejora genética y la mejora de la producción con nuevas variedades o híbridos con mayor rendimiento, resistencia a las enfermedades, tolerancia al estrés ambiental y otras características deseables.
Comprender los mecanismos genéticos que subyacen a la constitución compleja para cuantificar el análisis de los rasgos y estudiar las asociaciones genotipo-fenotipo.
Evaluar el impacto de los factores ambientales en el desarrollo y la adaptación de las plantas para mejorar la productividad, la sostenibilidad y la seguridad alimentaria.
Identificar y desarrollar estrategias de gestión de riesgos, incluida la selección de variedades de plantas resistentes o el desarrollo de medidas de control específicas.
Optimizar el uso de los recursos en la agricultura de precisión para mejorar la predicción del rendimiento, ajustar los insumos y maximizar la productividad, minimizando al mismo tiempo el impacto medioambiental.
Desarrollar alimentos nutritivos y de alta calidad mediante la evaluación de la composición nutricional y mejorar la investigación agronómica sobre prácticas de gestión del rendimiento, como el riego, la fertilización y la rotación de cultivos.
Instrumentos
Imágenes hiperespectrales Specim
Las cámaras hiperespectrales Specim FX10 y Specim FX17 proporcionan un avanzado sistema de monitorización de plantas mediante la recopilación de datos espectrales de alta resolución. Con una cobertura que abarca desde el espectro visible y el infrarrojo cercano (VNIR) hasta el infrarrojo cercano (NIR), estas cámaras permiten realizar fenotipados no invasivos y de alto rendimiento, capturando indicadores críticos de la salud de las plantas, como el NDVI, el PRI y el índice de clorofila.
Aplicaciones
Una plataforma de fenotipado de alto rendimiento
Análisis de imágenes hiperespectrales de corto alcance para la detección temprana de respuestas al estrés en plantas individuales en una plataforma de fenotipado de alto rendimiento.
Fuente Google Scholar: Asaari et al. (2018)
HSI en el fenotipado de plantas
Specim IQ: Evaluación de una nueva cámara hiperespectral portátil miniaturizada y su aplicación para el fenotipado de plantas y la detección de enfermedades.
Fuente Google Scholar: Behmann et al. (2018)
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