Proxecto BoostCrop H2020: Impulsar o crecemento dos cultivos utilizando produtos naturais e a colleita solar habilitada pola síntese
- Tipo Proxecto
- Estado Firmado
- Execución 2019 -2023
- Orzamento asignado 4.940.403,75 €
- Ámbito Europeo
- Fonte principal de financiamento H2020
- Páxina web do proxecto Proyecto BoostCrop
O estrés por frío pode reducir seriamente o rendemento dos cultivos. As baixas temperaturas restrinxen o crecemento e desenvolvemento das plantas, mentres que as xeadas provocan danos nos tecidos. As perdas de rendemento son aínda máis graves cando se produce estrés por frío durante a etapa reprodutiva. O proxecto BoostCrop, financiado pola UE, busca aumentar a resistencia das plantas ao estrés por frío e estimular o crecemento das plantas en diferentes condicións a través dun concepto innovador chamado quentadores moleculares.
Trátase de moléculas de orixe natural que absorben partes do espectro electromagnético que son prexudiciais para a planta ou que non se usan durante a fotosíntese e logo converten estas lonxitudes de onda en lonxitudes de onda máis longas (calor). O método proposto podería reducir significativamente as perdas de rendemento e prolongar as tempadas de crecemento.
Usando procesos sostibles para sintetizar dúas familias de "quentadores moleculares", un composto por análogos de malato de sinapoilo (SM) e outro de análogos de dicetopirrolopirrol (DPP), reunimos con éxito unha biblioteca de máis de 60 compostos, con novas vías sintéticas verdes optimizadas a escala multigramos. Os resultados obtidos polos nosos compañeiros analistas con estas mostras determinan continuamente a elección de novos análogos de SM a sintetizar. Por exemplo, actualmente estamos sintetizando novos análogos de SM con hidrofobicidade sintonizable para mellorar a súa formulación e así facilitar a súa aplicación foliar. Continúa a produción e optimización dos análogos existentes para ensaios de campo e invernadoiro. O desenvolvemento de DPP continúa, aínda que a familia SM é actualmente a máis prometedora e é o foco principal de probas posteriores, como se describe a continuación. Experimentos analíticos de vangarda para comprender as interaccións luz-molécula que modifican a súa eficacia como "quentadores moleculares". Adquirimos información sobre as vías de relaxación clave (dinámica de estados excitados) en varias das nosas moléculas modelo. Algúns teñen características moi boas, mentres que outros só teñen características adecuadas.
Outros estudos que nos axuden a comprender como manipular estas características de relaxación contribuirán á síntese de novas moléculas e á formulación do produto. Desenvolvemento de modelos para a dinámica do estado excitado: seguimos realizando cálculos da estrutura electrónica dos candidatos a quentadores moleculares en fase gaseosa e ambientes complexos para comprender mellor a súa fotofísica e fotoquímica. Estes cálculos realízanse en sinerxía cos experimentos dos nosos colaboradores. Puidemos predecir as características de relaxación e a reactividade das moléculas sintetizadas para informar a síntese de novos análogos antes de comezar este traballo. Análise de subprodutos e toxicidade das nosas moléculas: o exame inicial das moléculas candidatas para a toxicidade potencial mediante métodos in silico indica que ningunha das nosas moléculas debe ser mutaxénica ou canceríxena.
Isto permítenos seguir desenvolvendo moléculas candidatas cun alto grao de garantía de seguridade para a produción de alimentos. Cabe destacar que tres novas moléculas candidatas pasaron todas as probas de seguridade iniciais. Usando imaxes térmicas e medicións de biomasa no laboratorio, invernadoiro e campo, demostramos con éxito que se produce un aumento térmico significativo tanto na planta como nas follas despois da aplicación da molécula baixo a radiación UV-A/B. Tres moléculas candidatas mostran un mellor quecemento que o noso primeiro prototipo. Nos ensaios cunha mestura do noso SM estándar e un adxuvante adhesivo en plantas de tomate, benth e pementa, observamos repetidamente un aumento do peso seco da planta, ata o 12,3% no noso caso máis exitoso. Estas probas tamén demostraron que a formulación é esencial para optimizar os efectos do SM no crecemento, e o noso traballo continuo céntrase na formulación con éxito dun produto prototipo para ensaios de invernadoiro e de campo.
Un dos grandes retos do século XXI é aumentar a produción mundial de alimentos para alimentar a unha poboación en crecemento mentres a calidade e a cantidade de terras cultivables están a diminuír. Un aspecto central deste problema é a necesidade de aumentar o rendemento de numerosas especies de cultivo importantes e atopar formas de ampliar as localizacións xeográficas aptas para a agricultura. O estrés por frío é un extremo ambiental que dificulta o rendemento dos cultivos. As baixas temperaturas restrinxen o crecemento e desenvolvemento das plantas, mentres que as xeadas provocan danos nos tecidos. As perdas de rendemento son aínda máis graves cando se produce estrés por frío durante a etapa reprodutiva. Os programas de mellora de novas variedades tolerantes son diversos e xeralmente están adaptados ás necesidades específicas dun cultivo en particular. Non obstante, a resposta das plantas ao estrés por frío é complexa e implica moitos cambios fisiolóxicos, estruturais e bioquímicos, que interactúan con outros factores ambientais e procesos metabólicos. BoostCrop representa un novo enfoque para mellorar o rendemento dos cultivos protexendo as plantas do estrés por frío e estimulando o seu crecemento baixo unha variedade de condicións de crecemento.
A invención baséase en "quentadores moleculares"; Moléculas inspiradas na natureza que absorben a luz das enerxías prexudiciais para a planta ou que non se utilizan na fotosíntese e converten esta enerxía luminosa en calor. A visión a longo prazo de BoostCrop é desenvolver un conxunto de moléculas para a xeración de calor local para a seguridade alimentaria. O novo e ambicioso programa de investigación de BoostCrop, que supera substancialmente calquera paradigma tecnolóxico existente, emprega un enfoque ascendente para deseñar quentadores de moléculas de luz que optimicen a absorción de compoñentes seleccionados do espectro solar.
Así, a clave de BoostCrop reside no uso destes revolucionarios quentadores de moléculas de luz nunha pulverización foliar para mellorar o crecemento dos cultivos a baixas temperaturas e alta exposición a UV, aumentar o rendemento do cultivo a alta densidade de plantas (condicións que dan lugar a unha menor proporción de lonxitudes de onda vermellas e vermellas afastadas; baixa R:FR) e, en consecuencia, reducir os custos enerxéticos do invernadoiro. Para realizar esta visión, BoostCrop reúne a un equipo de científicos con experiencia en diversas áreas das ciencias físicas e biolóxicas.
A tecnoloxía radicalmente nova e baseada na ciencia que xerará o proxecto implica:
- Guiando o fluxo de enerxía fotón nas moléculas.
Use esta enerxía para combater os retos europeos e globais en curso, principalmente na produción de alimentos sostible, así como nas melloras tanto na sanidade como na produción de enerxía limpa.
Os esforzos combinados do equipo de BoostCrop, que combinan a experiencia de 6 universidades participantes con 13 investigadores principais universitarios, un instituto gobernamental cun líder de sección, unha peme con dous líderes de grupo (consulta a Sección 4) e que abarca as 3 disciplinas principais de Química, Física e Bioloxía, para crear un pulverizador de cultivos foliar altamente eficiente, ecolóxico e asequible. >
O estrés por frío e conxelación son as principais limitacións dos cultivos e da horticultura. BoostCrop busca reducir este estrés a través dun invento chamado "quentadores moleculares". Son moléculas inspiradas na natureza que absorben a radiación solar e a converten en enerxía térmica. A invención reduciría as perdas de rendemento debido ao estrés por frío, prolongaría as estacións de crecemento e as localizacións xeográficas adecuadas para a agricultura, aumentaría o rendemento dos cultivos con alta densidade de cultivos e, ao mesmo tempo, reduciría os custos enerxéticos do invernadoiro. BoostCrop esfórzase por aumentar a produción de alimentos para alimentar a unha poboación en constante crecemento, abordando así un importante desafío de seguridade alimentaria europea e mundial.
O programa de investigación multidisciplinar descrito en BoostCrop demostrará como os procesos moleculares intrínsecos subxacentes á transferencia de enerxía, que ocorren en escalas de tempo de decenas de milmillonésimas de segundo, poden ser manipulados de forma que afectan as propiedades macroscópicas. Os obxectivos do programa de investigación inclúen: aplicar experimentos e teorías de última xeración para rastrexar e comprender, cun detalle sen precedentes, o fluxo de enerxía en moléculas específicas inspiradas na natureza; manipular este fluxo de enerxía mediante a modificación química; e desenvolver un conxunto de moléculas para satisfacer as necesidades de crecemento dos cultivos no campo e en condicións protexidas (invernadoiro). Estas moléculas aplicaranse despois aos cultivos mediante unha pulverización foliar acuosa.
O programa de investigación proposto ofrece un enfoque transdisciplinar e sinérxico para desenvolver e comprender as propiedades dos novos quentadores de fotóns a moléculas. A experiencia combinada de seis universidades (e persoal que abarca química, física e bioloxía), un instituto gobernamental e unha peme cunha traxectoria comprobada no desenvolvemento de tecnoloxías agrícolas sostibles garantirá que a visión a longo prazo de BoostCrop de desenvolver quentadores moleculares para o seu uso na pulverización foliar se realice, contribuíndo así significativamente á seguridade alimentaria e tecnolóxica futura de Europa.
Unha molécula especial non tóxica que os agricultores poden pulverizar sobre as plantas actúa como un quentador natural para axudar aos cultivos a soportar o frío e aumentar os rendementos. Algunhas plantas sofren considerablemente o frío. Mellorar a resistencia ao frío pode aumentar a produtividade, alongar a tempada de crecemento e permitir que os cultivos medren en áreas anteriormente con risco de danos por xeadas. A maior escala, podería mellorar a seguridade alimentaria. O proxecto BoostCrop financiado pola UE identificou moléculas naturais produtoras de calor que se poden aplicar aos cultivos no campo. "Chamámoslles quentadores moleculares; son como mantas térmicas que protexen a colleita de golpes de frío repentinos", explica o coordinador do proxecto Vasilios Stavros, profesor de química física na Universidade de Birmingham, Reino Unido. "Identificamos unha molécula específica nas plantas que absorbe a luz en certas rexións do espectro que non interfiren coa fotosíntese da planta.
A planta converte esa enerxía luminosa en calor, que despois se distribúe por toda a folla." "Esa foi a nosa molécula de partida. Sabiamos que non era tóxico, e pensamos que tentaríamos deseñar novas moléculas arredor desta molécula natural que se poidan incluír nun spray foliar". Usando unha combinación de química sintética verde, espectroscopia e modelado teórico, o equipo desenvolveu varias moléculas novas e probounos en condicións simuladas nunha cámara de crecemento.
Reducindo gradualmente as moléculas candidatas "Demostramos con éxito no laboratorio que houbo un aumento térmico significativo tanto na planta como na folla despois da aplicación da molécula e baixo a radiación UV-A/B", sinala Stavros. "Descubrimos que a rápida conversión de enerxía molecular en calor é crucial para unha tecnoloxía de quecemento molecular eficaz". Un proxecto anterior financiado pola UE, NatuCrop, analizou a protección natural dos cultivos contra a calor e outros factores de estrés para mellorar o rendemento. Non obstante, Stavros explica que algúns potenciais quentadores moleculares eran case imposibles de sintetizar nun laboratorio. Outros resultaron tóxicos e tiveron que ser descartados, deixando tres novas moléculas candidatas que pasaron todas as probas iniciais de seguridade. As moléculas candidatas tiñan que ser formuladas nun produto que puidese pulverizarse sobre as plantas e estenderse uniformemente ao longo da folla sen facer burbullas. A formulación tamén tivo que ser estable durante uns dous anos nun recipiente. Non obstante, algunhas moléculas candidatas descompoñen ou degradan dentro de 2 a 3 horas despois da irradiación, o que tamén as faría inutilizables no campo. Ensaios de campo en cultivos Tras probas de laboratorio, as moléculas candidatas foron probadas en campo en tomate, pepino e leituga en España, e en trigo de primavera, millo e remolacha azucreira en Alemaña.
Durante longas semanas de experimentos, os biólogos controlaron as moléculas que producían o maior cambio de temperatura. Os ensaios de campo víronse afectados pola pandemia de COVID-19, xa que o equipo tivo que centrarse nunha determinada época do ano con potencial de danos por xeadas. Stavros di: "Con COVID, perdemos dúas tempadas de crecemento". Non obstante, durante estes ensaios observouse un aumento do rendemento, que foi igual ou mellor que o dos bioestimulantes comerciais. Ao final do proxecto de cinco anos, Stavros dixo: "Foimos capaces de sintetizar ata un quilogramo da molécula de interese e realizar con éxito probas de campo, o que é bastante incrible". A seguinte fase é a comercialización; A análise preliminar de custos mostra que é viable, engade.
A agricultura é un tema de gran importancia para a UE (e no mundo): case o 40% do orzamento anual da UE gástase en agricultura. O mercado mundial de agroquímicos en 2015 estimouse en 179.000 millóns de euros, dos cales Europa representa o 11%, mentres que Estados Unidos (59%) e Asia (22%) dominan o mercado (www.marketsandmarkets.com). Evidentemente, a UE ten un margen importante para mellorar o seu liderado mundial neste sector. O estrés por frío e conxelación son as principais limitacións dos cultivos e da horticultura.
A invención de BoostCrop dos "quentadores moleculares" para aumentar o rendemento dos cultivos durante o estrés por frío, estender as estacións de crecemento, ampliar as localizacións xeográficas adecuadas para a agricultura (por exemplo, en altitudes máis altas) e aumentar o rendemento dos cultivos con altas densidades de cultivo terá un gran impacto global. Ademais, a redución esperada dos custos enerxéticos de efecto invernadoiro sería inmensa; Un invernadoiro de tamaño industrial cunha superficie de 40.000 pés cadrados (3.700 m²) aforraría uns 3.000 euros ao mes en calefacción. Esta estimación supón o uso de propano como combustible para manter o invernadoiro a 17 °C, cunha temperatura exterior media de 0 °C, e os quentadores moleculares logran un aumento da temperatura de 3 °C (algo realista).
- THE UNIVERSITY OF BIRMINGHAM (UoB)
Proxectos relacionados
