Proxecto H2020 BoostCrop: Impulso ao crecemento dos cultivos mediante produtos naturais e colleita solar mediante síntese
- Tipo Proxecto
- Estado Firmado
- Execución 2019 -2023
- Orzamento asignado 4.940.403,75 €
- Ámbito Europeo
- Fonte principal de financiamento Horizonte 2020
- Páxina web do proxecto Proyecto BoostCrop
O estrés por frío pode reducir gravemente o rendemento das colleitas. As baixas temperaturas restrinxen o crecemento e o desenvolvemento das plantas, mentres que as xeadas causan danos nos tecidos. As perdas de rendemento son aínda máis graves cando se produce estrés por frío durante a fase reprodutiva. O proxecto BoostCrop, financiado pola UE, busca aumentar a resiliencia das plantas ao estrés por frío e estimular o seu crecemento en diferentes condicións mediante un concepto innovador chamado quentadores moleculares.
Trátase de moléculas naturais que absorben partes do espectro electromagnético que son prexudiciais para a planta ou que non se utilizan 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", unha composta por análogos de malato de sinapoílo (SM) e a outra por análogos de dicetopirolopirrol (DPP), reunimos con éxito unha biblioteca de máis de 60 compostos, con novas vías sintéticas ecolóxicas optimizadas a escala de multigramos. Os resultados obtidos polos nosos compañeiros analistas con estas mostras determinan continuamente a escolla de novos análogos de SM que se sintetizarán. Por exemplo, actualmente estamos a sintetizar novos análogos de SM con hidrofobicidade regulable 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 de invernadoiro. O desenvolvemento do DPP continúa, aínda que a familia SM é actualmente a máis prometedora e é o foco principal de probas adicionais, como se describe a continuación. Experimentos analíticos de vangarda para comprender as interaccións luz-molécula que modifican a súa eficacia como "quentadores moleculares". Obtivemos información sobre as vías de relaxación clave (dinámica do estado excitado) en varias das nosas moléculas modelo. Algúns teñen moi boas características, mentres que outros só teñen as axeitadas.
Máis estudos que nos axuden a comprender como manipular estas características de relaxación contribuirán á síntese de novas moléculas e á formulación de produtos. Desenvolvemento de modelos para a dinámica de estados excitados: Continuamos a realizar cálculos da estrutura electrónica de candidatos a quentadores moleculares en fase gasosa e ambientes complexos para comprender mellor a súa fotofísica e fotoquímica. Estes cálculos realízanse en sinerxía cos experimentos dos nosos colaboradores. Pudemos predicir 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: a selección inicial de moléculas candidatas para detectar posible toxicidade mediante métodos in silico indica que ningunha das nosas moléculas debería ser mutaxénica ou carcinoxénica.
Isto permítenos continuar desenvolvendo moléculas candidatas cun alto grao de garantía de seguridade para a produción de alimentos. Cómpre sinalar que tres novas moléculas candidatas superaron todas as probas de seguridade iniciais. Usando imaxes térmicas e medicións de biomasa no laboratorio, en invernadoiro e no campo, demostramos con éxito que se produce un aumento térmico significativo tanto na planta como nas follas despois da aplicación da molécula baixo radiación UV-A/B. Tres moléculas candidatas mostran un mellor quentamento que o noso primeiro prototipo. En ensaios cunha mestura do noso SM estándar e un adxuvante adhesivo en plantas de tomate, benth e pemento, observamos repetidamente un aumento no 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 da SM no crecemento, e o noso traballo actual céntrase na formulación con éxito dun produto prototipo para ensaios en invernadoiro e de campo.
Un dos principais retos do século XXI é aumentar a produción mundial de alimentos para alimentar unha poboación crecente mentres a calidade e a cantidade da terra cultivable diminúen. Un aspecto central deste problema é a necesidade de aumentar o rendemento de numerosas especies de cultivos importantes e atopar xeitos de ampliar as localizacións xeográficas axeitadas para a agricultura. O estrés por frío é un extremo ambiental que dificulta o rendemento das colleitas. As baixas temperaturas restrinxen o crecemento e o desenvolvemento das plantas, mentres que as xeadas causan danos nos tecidos. As perdas de rendemento son aínda máis graves cando se produce estrés por frío durante a fase reprodutiva. Os programas de mellora para novas variedades tolerantes son diversos e xeralmente adáptanse 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 unha nova estratexia para mellorar o rendemento das colleitas protexendo as plantas do estrés por frío e estimulando o seu crecemento nunha variedade de condicións de cultivo.
A invención baséase en "quentadores moleculares"; Moléculas inspiradas na natureza que absorben a luz de enerxías prexudiciais para a planta ou que non se empregan 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 local de calor para a seguridade alimentaria. O novedoso e ambicioso programa de investigación de BoostCrop, que supera substancialmente calquera paradigma tecnolóxico existente, emprega unha abordaxe ascendente para deseñar quentadores de moléculas lixeiras que optimizan a absorción de compoñentes seleccionados do espectro solar.
Polo tanto, a clave de BoostCrop reside no uso destes revolucionarios quentadores de moléculas de luz nun spray foliar para mellorar o crecemento dos cultivos a baixas temperaturas e alta exposición aos raios UV, aumentar o rendemento dos cultivos a alta densidade de plantas (condicións que resultan nunha menor proporción de lonxitudes de onda vermellas e vermellas afastadas; baixa R:FR) e, en consecuencia, reducir os custos enerxéticos dos invernadoiros. Para facer realidade esta visión, BoostCrop reúne 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 fotónica nas moléculas.
Empregar esta enerxía para combater os retos actuais en Europa e no mundo, principalmente na produción sostible de alimentos, así como nas melloras tanto na atención sanitaria como na produción de enerxía limpa.
Os esforzos conxuntos do equipo de BoostCrop, combinando a experiencia de 6 universidades participantes con 13 investigadores principais universitarios, un instituto gobernamental cun xefe de sección e unha peme con dous xefes de grupo (véxase a Sección 4) e abarcando as 3 disciplinas principais de química, física e bioloxía, para crear un pulverizador foliar altamente eficiente, respectuoso co medio ambiente e accesible para mellorar o crecemento dos cultivos e, polo tanto, a seguridade alimentaria sostible. >
O frío e a conxelación son importantes limitacións para os cultivos e a horticultura. BoostCrop busca reducir este estrés mediante unha invención chamada "quentadores moleculares". Trátase de 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, ampliaría as tempadas de crecemento e as localizacións xeográficas axeitadas para a agricultura, aumentaría o rendemento dos cultivos cunha alta densidade de cultivos e, ao mesmo tempo, reduciría os custos enerxéticos dos invernadoiros. BoostCrop esfórzase por aumentar a produción de alimentos para alimentar unha poboación en constante crecemento, abordando así un importante desafío para a 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 manipularse de xeito que afecten ás propiedades macroscópicas. Os obxectivos do programa de investigación inclúen: aplicar experimentos e teorías de última xeración para rastrexar e comprender, con detalle sen precedentes, o fluxo de enerxía en moléculas específicas inspiradas na natureza; manipular este fluxo de enerxía mediante modificación química; e desenvolver un conxunto de moléculas para satisfacer as necesidades do 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 unha abordaxe transdisciplinar e sinérxica para desenvolver e comprender as propiedades de novos quentadores de fotóns a molécula. A experiencia combinada de seis universidades (e persoal que abrangue química, física e bioloxía), un instituto gobernamental e unha peme con ampla traxectoria no desenvolvemento de tecnoloxías agrícolas sostibles garantirá que se faga realidade a visión a longo prazo de BoostCrop de desenvolver quentadores moleculares para o seu uso na pulverización foliar, contribuíndo así significativamente á futura seguridade alimentaria e tecnolóxica 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 as vagas de frío e aumentar os rendementos. Algunhas plantas sofren considerablemente as ondas de frío. Mellorar a resiliencia ao frío pode aumentar a produtividade, alongar a tempada de crecemento e permitir que os cultivos medren en zonas que antes corrían risco de sufrir 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 ondas de frío repentinas», explica o coordinador do proxecto Vasilios Stavros, profesor de fisicoquímica 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 logo se distribúe por toda a folla." "Esa foi a nosa molécula inicial. Sabiamos que non era tóxico e pensamos en tentar deseñar novas moléculas arredor desta molécula natural que se poidan incluír nun spray foliar". Moléculas de calor bioinspiradas para o crecemento das plantas Químicos, físicos e biólogos uníronse a unha peme de agrotecnoloxía. Coa axuda dun químico especializado na creación de moléculas inspiradas na natureza, o equipo considerou que novas moléculas poderían deseñar para converter mellor a luz en calor nas follas. Usando unha combinación de química sintética verde, espectroscopia e modelización teórica, o equipo desenvolveu varias moléculas novas e probounas en condicións simuladas nunha cámara de crecemento.
Redución gradual das moléculas candidatas «Demostramos con éxito no laboratorio que se producía un aumento térmico significativo tanto na planta como na folla despois da aplicación da molécula e baixo radiación UV-A/B», sinala Stavros. "Descubrimos que a rápida conversión da enerxía molecular en calor é crucial para unha tecnoloxía de quecemento molecular eficaz." Un proxecto anterior financiado pola UE, NatuCrop, estudou a protección natural dos cultivos contra a calor e outros factores de estrés para mellorar o rendemento. Non obstante, Stavros explica que algúns quentadores moleculares potenciais eran case imposibles de sintetizar nun laboratorio. Outras resultaron tóxicas e tiveron que ser descartadas, o que deixou tres novas moléculas candidatas que superaron todas as probas de seguridade iniciais. As moléculas candidatas tiveron que formularse nun produto que puidese pulverizarse sobre as plantas e estenderse uniformemente ao longo da folla sen que burbullase. A formulación tamén tiña que ser estable durante uns dous anos nun envase. Non obstante, algunhas moléculas candidatas descomponse ou degrádanse entre 2 e 3 horas despois da irradiación, o que tamén as inutilizaría no campo. Ensaios de campo en cultivos Tras as probas de laboratorio, as moléculas candidatas foron probadas no 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 monitorizaron as moléculas que producían o maior cambio de temperatura. As probas de campo víronse afectadas pola pandemia da COVID-19, xa que o equipo tivo que centrarse nunha época do ano específica con posibilidades de danos por xeadas. Stavros di: «Coa COVID, perdemos dúas tempadas de crecemento». Non obstante, durante estes ensaios, observouse un aumento no rendemento, que foi tan bo ou mellor que o dos bioestimulantes comerciais. Ao final do proxecto de cinco anos, Stavros dixo: «Fomos 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 demostra que é viable, engade.
A agricultura é unha cuestión de importancia crucial para a UE (e a nivel mundial): case o 40 % do orzamento anual da UE destínase á agricultura. O mercado mundial de agroquímicos en 2015 estimouse en 179.000 millóns de euros, dos cales Europa representa o 11 %, mentres que os Estados Unidos (59 %) e Asia (22 %) dominan o mercado (www.marketsandmarkets.com). Claramente, hai un marxe significativo para que a UE reforce o seu liderado mundial neste sector. O frío e a conxelación son importantes limitacións para os cultivos e a horticultura.
A invención de BoostCrop dos "quentadores moleculares" para aumentar o rendemento das colleitas durante o estrés por frío, prolongar as tempadas de crecemento, ampliar as localizacións xeográficas axeitadas para a agricultura (por exemplo, a altitudes máis elevadas) e aumentar o rendemento das colleitas a altas densidades de cultivo terá un grande impacto global. Ademais, a redución prevista nos custos enerxéticos dos efectos do efecto invernadoiro sería inmensa; Un invernadoiro de tamaño industrial cunha superficie de 3.700 m² aforraría uns 3.000 € ao mes en calefacción. Esta estimación asume o uso de propano como combustible para manter o invernadoiro a 17 °C, cunha temperatura exterior media de 0 °C, e quentadores moleculares que conseguen un aumento de temperatura de 3 °C (algo realista).
- THE UNIVERSITY OF BIRMINGHAM (UoB)
Proxectos relacionados
