Projecte H2020 BoostCrop: Impulsar el creixement dels cultius utilitzant productes naturals i recol·lecció solar habilitada per síntesi
- Tipus Projecte
- Estat Firmado
- Execució 2019 -2023
- Pressupost assignat 4.940.403,75 €
- Àmbit Europeo
- Font principal de finançament H2020
- Web del projecte Proyecto BoostCrop
L'estrès per fred pot reduir greument el rendiment dels cultius. Les baixes temperatures restringeixen el creixement i desenvolupament de les plantes, mentre que les gelades causen danys als teixits. Les pèrdues de rendiment encara són més greus quan l'estrès per fred es produeix durant l'etapa reproductiva. El projecte BoostCrop, finançat amb fons europeus, busca augmentar la resiliència de les plantes a l'estrès per fred i estimular-ne el creixement en diferents condicions mitjançant un concepte innovador denominat escalfadors moleculars.
Són molècules d'origen natural que absorbeixen parts de l'espectre electromagnètic que són perjudicials per a la planta o que no s'utilitzen durant la fotosíntesi i després converteixen aquestes longituds d'ona en longituds d'ona més llargues (calor). El mètode proposat podria reduir considerablement les pèrdues de rendiment i perllongar les temporades de creixement.
Utilitzant processos sostenibles per sintetitzar dues famílies de "escalfadors moleculars", una d'elles composta per anàlegs de sinapoil malat (SM) i l'altra per anàlegs de dicetopirrolopirrol (DPP), hem aconseguit constituir una biblioteca de més de 60 compostos, amb noves vies sintètiques ecològiques optimitzades. Els resultats obtinguts pels nostres col·legues analistes amb aquestes mostres determinen contínuament l'elecció dels nous anàlegs de SM que se sintetitzaran. Per exemple, actualment estem sintetitzant nous anàlegs d'SM amb hidrofobicitat ajustable per millorar-ne la formulació i, per tant, facilitar-ne l'aplicació foliar. Continua la producció i optimització d'anàlegs existents per a assaigs de camp i hivernacle. Continua el desenvolupament de DPP, encara que la família SM és actualment la més prometedora i és el focus principal de les proves següents, com es descriu a continuació. Experiments analítics d'avantguarda per comprendre les interaccions llum-molècula que modifiquen la seva eficàcia com a "escalfadors moleculars". Hem aconseguit comprendre les vies de relaxació clau (dinàmica de l'estat excitat) a diverses de les nostres molècules model. Algunes presenten característiques molt bones, mentre que d'altres presenten característiques només adequades.
Estudis addicionals que ens ajudin a comprendre com manipular aquestes característiques de relaxació contribuiran a la síntesi de noves molècules i la formulació del producte. Desenvolupament de models per a la dinàmica de l'estat excitat: Seguim fent càlculs de l'estructura electrònica en fase gasosa i entorns complexos dels candidats a "escalfadors moleculars" per comprendre millor la seva fotofísica i fotoquímica. Aquests càlculs s'executen en sinergia amb els experiments dels nostres col·laboradors. Hem pogut predir les característiques de relaxació i la reactivitat de les molècules sintetitzades per fonamentar la síntesi de nous anàlegs abans de començar aquest treball. Anàlisi de subproductes i toxicitat de les nostres molècules: El cribratge inicial de molècules candidates per determinar la seva possible toxicitat mitjançant mètodes in silico indica que cap de les nostres molècules hauria de presentar mutagenicitat ni carcinogenicitat.
Això permet continuar desenvolupant molècules candidates amb un alt grau de garantia de seguretat per a la producció d'aliments. Cal destacar que tres noves molècules candidates han superat totes les proves inicials de seguretat. Mitjançant imatges tèrmiques i mesuraments de biomassa al laboratori, hivernacle i camp, hem demostrat amb èxit que es produeix un augment tèrmic significatiu tant a la planta com a les fulles després de l'aplicació de la molècula sota radiació UV-A/B. Tres molècules candidates presenten un millor escalfament que el nostre primer prototip. En proves amb una barreja del nostre SM estàndard i un adjuvant adhesiu en plantes de tomàquet, benth i pebrot, hem observat repetidament un augment del pes sec de la planta, de fins a un 12,3% en el nostre cas més reeixit. Aquestes proves també han demostrat que la formulació és essencial per optimitzar els efectes de SM en el creixement, i el nostre treball continu se centra en la formulació amb èxit d'un producte prototip per fer assajos en hivernacles i camps.
Un repte important al segle XXI és augmentar la producció mundial d'aliments per alimentar una població en continu creixement mentre la qualitat i la quantitat de terra cultivable està disminuint. Un aspecte central daquest problema és la necessitat daugmentar el rendiment de nombroses espècies de cultius importants i trobar maneres destendre les ubicacions geogràfiques adequades per a lagricultura. L'estrès per fred és un extrem ambiental que obstaculitza el rendiment dels cultius. Les baixes temperatures restringeixen el creixement i el desenvolupament de les plantes, mentre que les gelades causen dany tissular. Les pèrdues de rendiment són encara més greus quan l'estrès per fred es produeix durant l'etapa reproductiva. Els programes de millora per a noves varietats tolerants són diversos i s'adapten generalment a les necessitats específiques d'un cultiu en particular. Tot i això, la resposta de la planta a l'estrès per fred és complexa i implica molts canvis fisiològics, estructurals i bioquímics, que interactuen amb altres factors ambientals i processos metabòlics. BoostCrop representa un enfocament nou per millorar el rendiment dels cultius en protegir les plantes de l'estrès per fred i estimular-ne el creixement sota una varietat de condicions de creixement.
La invenció es basa en "escalfadors moleculars"; Molècules inspirades en la natura que absorbeixen la llum d'energies que són perjudicials per a la planta o que no s'utilitzen a la fotosíntesi i converteixen aquesta energia lluminosa en calor. La visió a llarg termini de BoostCrop és desenvolupar un conjunt de molècules per a la generació local de calor per a la seguretat alimentària. El nou i ambiciós programa de recerca de BoostCrop, que supera substancialment qualsevol paradigma tecnològic existent, fa servir un enfocament ascendent per dissenyar escalfadors de llum a molècules que optimitzin l'absorció de components seleccionats de l'espectre solar.
D'aquesta manera, la clau de BoostCrop resideix a utilitzar aquests revolucionaris escalfadors de llum a molècules en una polvorització foliar per millorar el creixement dels cultius a baixa temperatura i alta exposició a la radiació ultraviolada, augmentar el rendiment dels cultius a alta densitat de cultiu (condicions que resulten en una menor proporció de longituds d'ona del vermell; ro; costos energètics dels hivernacles. Per fer realitat aquesta visió, BoostCrop reuneix un equip de científics amb experiència en diverses àrees de les ciències físiques i biològiques.
La tecnologia radicalment nova, basada en la ciència, que el projecte generarà implica:
- Guiar el flux d'energia fotònica a les molècules.
Utilitzar aquesta energia per combatre els reptes continus europeus i globals, en primer lloc, en la producció sostenible d'aliments, així com en millores tant en l'atenció mèdica com en la producció d'energia neta.
Els esforços combinats de l'equip BoostCrop, que combina l'experiència de 6 universitats participants amb 13 investigadors principals universitaris, un institut governamental amb un líder de secció, una PIME amb dos líders de grup (vegeu Secció 4) i abasta les 3 disciplines principals de Química, Física, Biologia, per crear un polvoritzador ambient i pulveritzador ambient la millora del creixement dels cultius i, per tant, la seguretat alimentària sostenible. >
L'estrès per fred i congelació són limitacions importants per als cultius i l'horticultura. BoostCrop busca reduir aquest estrès mitjançant un invent anomenat "escalfadors moleculars". Es tracta de molècules inspirades en la naturalesa que absorbeixen la radiació solar i la converteixen en energia tèrmica. La invenció reduiria les pèrdues de rendiment a causa de l'estrès per fred, estendria les temporades de creixement i les ubicacions geogràfiques adequades per a l'agricultura, augmentaria el rendiment dels cultius amb una alta densitat de cultius i, alhora, reduiria els costos d'energia de l'hivernacle. BoostCrop s'esforça per augmentar la producció d'aliments per alimentar una població en creixement continu, abordant així un important desafiament europeu i mundial en matèria de seguretat alimentària.
El programa de recerca multidisciplinari descrit a BoostCrop demostrarà com els processos moleculars intrínsecs subjacents a la transferència d'energia, i que ocorren en escales de temps de desenes de bilionèsimes de segon, es poden manipular de manera que les propietats macroscòpiques es vegin afectades. Els objectius del programa de recerca inclouen: aplicar experiments i teories de darrera generació per rastrejar i comprendre, amb un detall sense precedents, el flux denergia en molècules específiques inspirades en la natura; manipular aquest flux denergia mitjançant modificació química; i desenvolupar un conjunt de molècules per satisfer les necessitats del creixement dels cultius al camp i en condicions protegides (hivernacle). Aquestes molècules després s'aplicaran als cultius mitjançant una polvorització foliar aquosa.
El programa de recerca proposat ofereix un enfocament transdisciplinari i sinèrgic per desenvolupar i comprendre les propietats de nous escalfadors de fotons a molècules. L'experiència combinada de sis universitats (i personal que abasta química, física i biologia), un institut governamental i una PIME amb una destacada trajectòria en el desenvolupament d'agrotecnologies sostenibles garantirà que es compleixi la visió a llarg termini de BoostCrop de desenvolupar escalfadors moleculars per al seu ús en polvorització foliar. Europa.
Una molècula especial no tòxica que els agricultors poden ruixar sobre les plantes actua com un escalfador natural per ajudar els cultius a resistir les onades de fred i augmentar el rendiment Algunes plantes pateixen considerablement les onades de fred. Millorar la resiliència al fred pot augmentar la productivitat, allargar la temporada de creixement i permetre que els cultius creixin en àrees on abans corrien el risc de patir danys per gelades. A més escala, podria millorar la seguretat alimentària. El projecte BoostCrop, finançat per la UE, va identificar molècules naturals productores de calor que es poden aplicar als cultius al camp. "Els anomenem escalfadors moleculars; són com mantes tèrmiques que protegeixen el cultiu de les onades de fred sobtades", explica el coordinador del projecte Vasilios Stavros, professor de Química Física a la Universitat de Birmingham, Regne Unit. "Identifiquem una molècula específica a les plantes que absorbeix la llum en certes regions de l'espectre que no interfereixen amb la fotosíntesi de la planta.
La planta converteix aquesta energia lluminosa en calor que després es distribueix pel full”. “Aquesta va ser la nostra molècula de partida. Sabíem que no era tòxica i vam pensar que intentaríem dissenyar noves molècules al voltant d'aquesta molècula natural que es puguin incloure en un polvoritzador foliar”. Molècules de calor bioinspirades per al creixement de les plantes Químics, físics i biòlegs es van unir a una pime d'agrotecnologia. equip va considerar quines noves molècules es podrien dissenyar per convertir millor la llum en calor a les fulles.
Reduint gradualment les molècules candidates “Demostrem amb èxit al laboratori que es va produir un augment tèrmic significatiu tant a la planta com a la fulla després de l'aplicació de la molècula i sota radiació UV-A/B”, assenyala Stavros. "Descobrim que la ràpida conversió dʻenergia de les molècules en calor és crucial per a una tecnologia dʻescalfament molecular eficaç". Un projecte anterior, NatuCrop, finançat per la UE, va analitzar la protecció natural dels cultius contra la calor i altres factors d'estrès per millorar-ne el rendiment. Tot i això, Stavros explica que alguns possibles escalfadors moleculars eren gairebé impossibles de sintetitzar en un laboratori. Altres van resultar ser tòxics i van haver de descartar-se, deixant tres noves molècules candidates que van superar totes les proves de seguretat inicials. Les molècules candidates havien de formular-se en un producte que pogués polvoritzar-se sobre les plantes i estendre's uniformement al llarg del full sense bombolles. La formulació també havia de ser estable durant uns dos anys en un recipient. Tot i això, algunes molècules candidates es descomponen o degraden en 2 o 3 hores d'irradiació, cosa que també les tornaria inutilitzables al camp. Proves de camp en cultius Després de les proves de laboratori, les molècules candidates es van provar en camp en tomàquet, cogombre i enciam a Espanya, i en blat de primavera, blat de moro i remolatxa sucrera a Alemanya.
Durant llargues setmanes d'experiments, els biòlegs van monitoritzar les molècules que van produir el canvi de temperatura més gran. Els assaigs de camp es van veure afectats per la pandèmia de COVID-19, ja que l?equip va haver de centrar-se en una època particular de l?any amb potencial de danys per gelades. Stavros afirma: «Amb la COVID, ens vam perdre dues temporades de creixement». Tot i això, durant aquests assajos es va observar un augment en el rendiment, que va ser tan bo o millor que el dels bioestimulants comercials. Al final del projecte de 5 anys: «Vam poder sintetitzar fins a un quilogram de la molècula d'interès i dur a terme assajos de camp amb èxit, cosa que és força increïble», comenta Stavros. La següent fase és la comercialització; l'anàlisi preliminar de costos mostra que és viable, afegeix.
L'agricultura és un tema important per a la UE (ia nivell mundial): gairebé el 40% del pressupost anual de la UE es gasta en agricultura. El mercat mundial d'agroquímics el 2015 es va estimar en 179 mil milions d'euros, Europa representa un 11%, mentre que els EUA. UU. (59%) i Àsia (22%) dominen el mercat (www.marketsandmarkets.com). Clarament, hi ha molt de marge perquè la UE millori el seu lideratge mundial en aquest sector. L'estrès per fred i congelació són limitacions importants per als cultius i l'horticultura.
La invenció de BoostCrop sobre "escalfadors moleculars" per augmentar el rendiment dels cultius durant l'estrès per fred, estendre les temporades de creixement, expandir les ubicacions geogràfiques adequades per a l'agricultura (per exemple, a més altitud) i augmentar el rendiment dels cultius a alta densitat de cultius, tindrà un gran impacte a nivell de cultius. A més, la reducció prevista als costos d'energia dels hivernacles seria immensa; Un hivernacle de mida industrial amb una superfície de 40.000 peus quadrats (3700 m²) suposaria un estalvi d'uns 3000 € al mes en calefacció. Aquesta estimació suposa l'ús de propà com a combustible per mantenir l'hivernacle a 17 °C, amb una temperatura exterior mitjana de 0 °C, i escalfadors moleculars que aconsegueixen un augment de temperatura de 3 °C (cosa realista).
- THE UNIVERSITY OF BIRMINGHAM (UoB)
Projectes relacionats
