Projet H2020 BoostCrop : Stimuler la croissance des cultures grâce à des produits naturels et à la récolte solaire par synthèse
- Taper Projet
- État Firmado
- Exécution 2019 -2023
- Budget alloué 4.940.403,75 €
- Portée Europeo
- Principale source de financement H2020
- Site Web du projet Proyecto BoostCrop
Le stress dû au froid peut réduire considérablement les rendements des cultures. Les basses températures limitent la croissance et le développement des plantes, tandis que le gel provoque des dommages aux tissus. Les pertes de rendement sont encore plus graves lorsque le stress dû au froid survient pendant la phase de reproduction. Le projet BoostCrop, financé par l'UE, vise à accroître la résilience des plantes au stress dû au froid et à stimuler leur croissance dans différentes conditions grâce à un concept innovant appelé réchauffeurs moléculaires.
Ce sont des molécules naturelles qui absorbent des parties du spectre électromagnétique nocives pour la plante ou qui ne sont pas utilisées lors de la photosynthèse, puis convertissent ces longueurs d'onde en longueurs d'onde plus longues (chaleur). La méthode proposée pourrait réduire considérablement les pertes de rendement et prolonger les saisons de croissance.
En utilisant des procédés durables pour synthétiser deux familles de « réchauffeurs moléculaires », l'une composée d'analogues de malate de sinapoyle (SM) et l'autre d'analogues de dicétopyrrolopyrrole (DPP), nous avons réussi à assembler une bibliothèque de plus de 60 composés, avec de nouvelles voies de synthèse vertes optimisées à l'échelle du multigramme. Les résultats obtenus par nos collègues analystes avec ces échantillons déterminent continuellement le choix de nouveaux analogues SM à synthétiser. Par exemple, nous synthétisons actuellement de nouveaux analogues de SM avec une hydrophobicité réglable pour améliorer leur formulation et ainsi faciliter leur application foliaire. La production et l’optimisation des analogues existants pour les essais sur le terrain et en serre se poursuivent. Le développement du DPP se poursuit, bien que la famille SM soit actuellement la plus prometteuse et fasse l’objet de tests supplémentaires, comme décrit ci-dessous. Des expériences analytiques de pointe pour comprendre les interactions lumière-molécule qui modifient leur efficacité en tant que « réchauffeurs moléculaires ». Nous avons acquis une meilleure compréhension des principales voies de relaxation (dynamique de l’état excité) dans plusieurs de nos molécules modèles. Certains ont de très bonnes fonctionnalités, tandis que d’autres n’ont que des fonctionnalités adéquates.
D’autres études qui nous aideront à comprendre comment manipuler ces caractéristiques de relaxation contribueront à la synthèse de nouvelles molécules et à la formulation de produits. Développement de modèles pour la dynamique des états excités : Nous continuons à effectuer des calculs de la structure électronique des candidats réchauffeurs moléculaires en phase gazeuse et dans des environnements complexes pour mieux comprendre leur photophysique et leur photochimie. Ces calculs sont réalisés en synergie avec les expériences de nos collaborateurs. Nous avons pu prédire les caractéristiques de relaxation et la réactivité des molécules synthétisées pour éclairer la synthèse de nouveaux analogues avant de commencer ce travail. Analyse des sous-produits et de la toxicité de nos molécules : Le criblage initial des molécules candidates pour une toxicité potentielle à l'aide de méthodes in silico indique qu'aucune de nos molécules ne devrait être mutagène ou cancérigène.
Cela nous permet de continuer à développer des molécules candidates avec un haut degré de garantie de sécurité pour la production alimentaire. Il est à noter que trois nouvelles molécules candidates ont passé tous les tests de sécurité initiaux. En utilisant l'imagerie thermique et des mesures de biomasse en laboratoire, en serre et sur le terrain, nous avons démontré avec succès qu'une augmentation thermique significative se produit à la fois dans la plante et dans les feuilles après l'application de la molécule sous rayonnement UV-A/B. Trois molécules candidates présentent un meilleur chauffage que notre premier prototype. Lors d'essais avec un mélange de notre SM standard et d'un adjuvant adhésif sur des plants de tomates, de benth et de poivrons, nous avons observé à plusieurs reprises une augmentation du poids sec des plants, jusqu'à 12,3 % dans notre cas le plus réussi. Ces tests ont également montré que la formulation est essentielle pour optimiser les effets du SM sur la croissance, et nos travaux en cours se concentrent sur la formulation réussie d'un prototype de produit pour les essais en serre et sur le terrain.
L’un des principaux défis du XXIe siècle est d’accroître la production alimentaire mondiale pour nourrir une population croissante alors que la qualité et la quantité des terres arables diminuent. Un aspect central de ce problème est la nécessité d’augmenter le rendement de nombreuses espèces de cultures importantes et de trouver des moyens d’étendre les zones géographiques propices à l’agriculture. Le stress dû au froid est un phénomène environnemental extrême qui nuit au rendement des cultures. Les basses températures limitent la croissance et le développement des plantes, tandis que le gel provoque des dommages aux tissus. Les pertes de performances sont encore plus graves lorsque le stress dû au froid survient pendant la phase de reproduction. Les programmes de sélection de nouvelles variétés tolérantes sont divers et sont généralement adaptés aux besoins spécifiques d’une culture particulière. Cependant, la réponse des plantes au stress dû au froid est complexe et implique de nombreux changements physiologiques, structurels et biochimiques, qui interagissent avec d’autres facteurs environnementaux et processus métaboliques. BoostCrop représente une nouvelle approche pour améliorer le rendement des cultures en protégeant les plantes du stress dû au froid et en stimulant leur croissance dans diverses conditions de croissance.
L'invention est basée sur des « réchauffeurs moléculaires » ; Molécules inspirées de la nature qui absorbent la lumière des énergies nocives pour la plante ou qui ne sont pas utilisées dans la photosynthèse et convertissent cette énergie lumineuse en chaleur. La vision à long terme de BoostCrop est de développer une série de molécules pour la génération de chaleur locale pour la sécurité alimentaire. Le programme de recherche novateur et ambitieux de BoostCrop, qui dépasse largement tout paradigme technologique existant, utilise une approche ascendante pour concevoir des réchauffeurs à molécules lumineuses qui optimisent l'absorption de composants sélectionnés du spectre solaire.
Ainsi, la clé de BoostCrop réside dans l'utilisation de ces réchauffeurs à molécules lumineuses révolutionnaires dans un spray foliaire pour améliorer la croissance des cultures à basses températures et à forte exposition aux UV, augmenter le rendement des cultures à forte densité de plantes (conditions qui entraînent un rapport plus faible entre les longueurs d'onde rouge et rouge lointain ; faible R:FR), et par conséquent réduire les coûts énergétiques des serres. Pour réaliser cette vision, BoostCrop rassemble une équipe de scientifiques possédant une expertise dans divers domaines des sciences physiques et biologiques.
La technologie radicalement nouvelle et scientifique que le projet générera implique :
- Guider le flux d'énergie des photons dans les molécules.
Utiliser cette énergie pour lutter contre les défis européens et mondiaux actuels, principalement en matière de production alimentaire durable, ainsi que pour améliorer les soins de santé et la production d’énergie propre.
Les efforts combinés de l'équipe BoostCrop, combinant l'expertise de 6 universités participantes avec 13 chercheurs principaux universitaires, un institut gouvernemental avec un chef de section, une PME avec deux chefs de groupe (voir section 4) et couvrant les 3 disciplines majeures de la chimie, de la physique et de la biologie, pour créer un pulvérisateur foliaire hautement efficace, respectueux de l'environnement et abordable pour améliorer la croissance des cultures et donc la sécurité alimentaire durable. >
Le stress dû au froid et au gel constitue une contrainte majeure pour les cultures et l’horticulture. BoostCrop cherche à réduire ce stress grâce à une invention appelée « réchauffeurs moléculaires ». Ce sont des molécules inspirées de la nature qui absorbent le rayonnement solaire et le convertissent en énergie thermique. L'invention permettrait de réduire les pertes de rendement dues au stress dû au froid, de prolonger les saisons de croissance et les emplacements géographiques propices à l'agriculture, d'augmenter les rendements des cultures avec une densité de culture élevée et, en même temps, de réduire les coûts énergétiques des serres. BoostCrop s'efforce d'augmenter la production alimentaire pour nourrir une population toujours croissante, répondant ainsi à un défi majeur de sécurité alimentaire européen et mondial.
Le programme de recherche multidisciplinaire décrit dans BoostCrop démontrera comment les processus moléculaires intrinsèques sous-jacents au transfert d'énergie, qui se produisent à des échelles de temps de dizaines de milliardièmes de seconde, peuvent être manipulés de manière à affecter les propriétés macroscopiques. Les objectifs du programme de recherche comprennent : l'application d'expériences et de théories de pointe pour retracer et comprendre, avec des détails sans précédent, le flux d'énergie dans des molécules spécifiques inspirées de la nature ; manipuler ce flux d’énergie par modification chimique ; et développer un ensemble de molécules pour répondre aux besoins de croissance des cultures au champ et en conditions protégées (serre). Ces molécules seront ensuite appliquées sur les cultures au moyen d’une pulvérisation foliaire aqueuse.
Le programme de recherche proposé offre une approche transdisciplinaire et synergique pour développer et comprendre les propriétés de nouveaux appareils de chauffage photons-molécules. L'expertise combinée de six universités (et de personnel couvrant la chimie, la physique et la biologie), d'un institut gouvernemental et d'une PME ayant fait ses preuves dans le développement de technologies agricoles durables garantira que la vision à long terme de BoostCrop de développer des réchauffeurs moléculaires destinés à la pulvérisation foliaire se réalise, contribuant ainsi de manière significative à la sécurité alimentaire et technologique future de l'Europe.
Une molécule spéciale non toxique que les agriculteurs peuvent pulvériser sur les plantes agit comme un chauffage naturel pour aider les cultures à résister aux vagues de froid et à augmenter les rendements. Certaines plantes souffrent considérablement des coups de froid. L’amélioration de la résistance au froid peut augmenter la productivité, allonger la saison de croissance et permettre aux cultures de pousser dans des zones auparavant exposées au risque de gel. À plus grande échelle, cela pourrait améliorer la sécurité alimentaire. Le projet BoostCrop, financé par l’UE, a identifié des molécules naturelles productrices de chaleur qui peuvent être appliquées aux cultures sur le terrain. « Nous les appelons des réchauffeurs moléculaires ; ce sont comme des couvertures thermiques qui protègent les cultures des coups de froid soudains », explique le coordinateur du projet Vasilios Stavros, professeur de chimie physique à l'Université de Birmingham, au Royaume-Uni. « Nous avons identifié une molécule spécifique dans les plantes qui absorbe la lumière dans certaines régions du spectre qui n'interfèrent pas avec la photosynthèse de la plante.
La plante convertit cette énergie lumineuse en chaleur, qui est ensuite distribuée dans toute la feuille. "C'était notre molécule de départ. Nous savions qu'il n'était pas toxique et nous avons pensé que nous essaierions de concevoir de nouvelles molécules autour de cette molécule naturelle qui pourraient être incluses dans un spray foliaire. Des molécules de chaleur bio-inspirées pour la croissance des plantes Des chimistes, des physiciens et des biologistes se sont associés à une PME d'agritech. Avec l'aide d'un chimiste spécialisé dans la création de molécules inspirées de la nature, l'équipe a réfléchi aux nouvelles molécules qui pourraient être conçues pour mieux convertir la lumière en chaleur dans les feuilles. En utilisant une combinaison de chimie de synthèse verte, de spectroscopie et de modélisation théorique, l'équipe a développé plusieurs molécules innovantes et les a testées dans des conditions simulées dans une chambre de croissance.
Réduction progressive des molécules candidates « Nous avons démontré avec succès en laboratoire qu’il y avait une augmentation thermique significative à la fois dans la plante et dans la feuille après l’application de la molécule et sous rayonnement UV-A/B », note Stavros. « Nous avons découvert que la conversion rapide de l’énergie moléculaire en chaleur est cruciale pour une technologie de chauffage moléculaire efficace. » Un projet précédent financé par l’UE, NatuCrop, a étudié la protection naturelle des cultures contre la chaleur et d’autres facteurs de stress pour améliorer le rendement. Cependant, Stavros explique que certains réchauffeurs moléculaires potentiels étaient presque impossibles à synthétiser en laboratoire. D’autres se sont révélées toxiques et ont dû être éliminées, laissant trois nouvelles molécules candidates qui ont passé tous les tests de sécurité initiaux. Les molécules candidates devaient être formulées dans un produit qui pouvait être pulvérisé sur les plantes et réparti uniformément le long de la feuille sans formation de bulles. La formulation devait également être stable pendant environ deux ans dans un récipient. Cependant, certaines molécules candidates se décomposent ou se dégradent dans les 2 à 3 heures suivant l’irradiation, ce qui les rendrait également inutilisables sur le terrain. Essais sur le terrain dans les cultures Après des tests en laboratoire, les molécules candidates ont été testées sur le terrain sur des tomates, des concombres et des laitues en Espagne, et sur du blé de printemps, du maïs et des betteraves sucrières en Allemagne.
Au cours de longues semaines d’expériences, les biologistes ont surveillé les molécules qui produisaient le plus grand changement de température. Les essais sur le terrain ont été impactés par la pandémie de COVID-19, car l’équipe a dû se concentrer sur une période particulière de l’année présentant un risque de dommages causés par le gel. Stavros déclare : « Avec la COVID, nous avons manqué deux saisons de croissance. » Cependant, au cours de ces essais, une augmentation des performances a été observée, qui était aussi bonne ou meilleure que celle des biostimulants commerciaux. À la fin du projet de cinq ans, Stavros a déclaré : « Nous avons pu synthétiser jusqu'à un kilogramme de la molécule d'intérêt et mener avec succès des essais sur le terrain, ce qui est assez incroyable. » La phase suivante est le marketing ; L’analyse préliminaire des coûts montre que c’est viable, ajoute-t-il.
L’agriculture est une question d’une importance cruciale pour l’UE (et pour le monde) : près de 40 % du budget annuel de l’UE est consacré à l’agriculture. Le marché mondial des produits agrochimiques en 2015 était estimé à 179 milliards d'euros, dont l'Europe représente 11%, tandis que les États-Unis (59%) et l'Asie (22%) dominent le marché (www.marketsandmarkets.com). Il est clair que l’UE dispose d’une marge de manœuvre considérable pour renforcer son leadership mondial dans ce secteur. Le stress dû au froid et au gel constitue une contrainte majeure pour les cultures et l’horticulture.
L'invention par BoostCrop de « réchauffeurs moléculaires » pour augmenter les rendements des cultures en cas de stress dû au froid, prolonger les saisons de croissance, étendre les zones géographiques propices à l'agriculture (par exemple, à des altitudes plus élevées) et augmenter les rendements des cultures à des densités de cultures élevées aura un impact mondial majeur. En outre, la réduction attendue des coûts de l’énergie à effet de serre serait immense ; Une serre de taille industrielle d’une superficie de 40 000 pieds carrés (3 700 m²) permettrait d’économiser environ 3 000 € par mois en chauffage. Cette estimation suppose l’utilisation de propane comme combustible pour maintenir la serre à 17°C, avec une température extérieure moyenne de 0°C, et des radiateurs moléculaires permettant une augmentation de température de 3°C (assez réaliste).
- THE UNIVERSITY OF BIRMINGHAM (UoB)
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