Proyecto H2020 BoostCrop: Impulsar el crecimiento de los cultivos utilizando productos naturales y recolección solar habilitada por síntesis
- Tipo Proyecto
- Status Firmado
- Ejecución 2019 -2023
- Presupuesto asignado 4.940.403,75 €
- Alcance Europeo
- Principal fuente de financiación H2020
- Sitio web del proyecto Proyecto BoostCrop
Descripción
El estrés por frío puede reducir gravemente el rendimiento de los cultivos. Las bajas temperaturas restringen el crecimiento y desarrollo de las plantas, mientras que las heladas causan daños en los tejidos. Las pérdidas de rendimiento son aún más graves cuando el estrés por frío se produce durante la etapa reproductiva. El proyecto BoostCrop, financiado con fondos europeos, busca aumentar la resiliencia de las plantas al estrés por frío y estimular su crecimiento en diferentes condiciones mediante un concepto innovador denominado calentadores moleculares. Se trata de moléculas de origen natural que absorben partes del espectro electromagnético que son dañinas para la planta o que no se utilizan durante la fotosíntesis y luego convierten estas longitudes de onda en longitudes de onda más largas (calor). El método propuesto podría reducir considerablemente las pérdidas de rendimiento y prolongar las temporadas de crecimiento.
Descripción de actividades
Utilizando procesos sostenibles para sintetizar dos familias de "calentadores moleculares", una de ellas compuesta por análogos de sinapoil malato (SM) y la otra por análogos de dicetopirrolopirrol (DPP),
hemos logrado constituir una biblioteca de más de 60 compuestos, con nuevas vías sintéticas ecológicas optimizadas a escala multigramo.
Los resultados obtenidos por nuestros colegas analistas con estas muestras determinan continuamente la elección de los nuevos análogos de SM que se sintetizarán. Por ejemplo, actualmente estamos sintetizando nuevos análogos de SM con hidrofobicidad ajustable para mejorar su formulación y, por lo tanto, facilitar su aplicación foliar.
Continúa la producción y optimización de análogos existentes para ensayos de campo e invernadero.
Continúa el desarrollo de DPP, aunque la familia SM es actualmente la más prometedora y es el foco principal de las siguientes pruebas, como se describe a continuación.
Experimentos analíticos de vanguardia para comprender las interacciones luz-molécula que modifican su eficacia como "calentadores moleculares".
Hemos logrado comprender las vías de relajación clave (dinámica del estado excitado) en varias de nuestras moléculas modelo.
Algunas presentan características muy buenas, mientras que otras presentan características solo adecuadas.
Estudios adicionales que nos ayuden a comprender cómo manipular estas características de relajación contribuirán a la síntesis de nuevas moléculas y la formulación del producto.
Desarrollo de modelos para la dinámica del estado excitado:
Seguimos realizando cálculos de la estructura electrónica en fase gaseosa y entornos complejos de los candidatos a "calentadores moleculares" para comprender mejor su fotofísica y fotoquímica. Estos cálculos se ejecutan en sinergia con los experimentos de nuestros colaboradores.
Hemos podido predecir las características de relajación y la reactividad de las moléculas sintetizadas para fundamentar la síntesis de nuevos análogos antes de comenzar este trabajo.
Análisis de subproductos y toxicidad de nuestras moléculas:
El cribado inicial de moléculas candidatas para determinar su posible toxicidad mediante métodos in silico indica que ninguna de nuestras moléculas debería presentar mutagenicidad ni carcinogenicidad.
Esto nos permite continuar desarrollando moléculas candidatas con un alto grado de garantía de seguridad para la producción de alimentos.
Cabe destacar que tres nuevas moléculas candidatas han superado todas las pruebas iniciales de seguridad.
Mediante imágenes térmicas y mediciones de biomasa en laboratorio, invernadero y campo,
hemos demostrado con éxito que se produce un aumento térmico significativo tanto en la planta como en las hojas tras la aplicación de la molécula bajo radiación UV-A/B.
Tres moléculas candidatas presentan un mejor calentamiento que nuestro primer prototipo.
En pruebas con una mezcla de nuestro SM estándar y un adyuvante adhesivo en plantas de tomate, benth y pimiento, hemos observado repetidamente un aumento del peso seco de la planta, de hasta un 12,3 % en nuestro caso más exitoso.
Estas pruebas también han demostrado que la formulación es esencial para optimizar los efectos de SM en el crecimiento, y nuestro trabajo continuo se centra en la formulación exitosa de un producto prototipo para realizar ensayos en invernaderos y campos.
Descripción contextual
Un desafío importante en el siglo XXI es aumentar la producción mundial de alimentos para alimentar a una población en continuo crecimiento mientras la calidad y cantidad de tierra cultivable está disminuyendo. Un aspecto central de este problema es la necesidad de aumentar el rendimiento de numerosas especies de cultivos importantes y encontrar maneras de extender las ubicaciones geográficas adecuadas para la agricultura. El estrés por frío es un extremo ambiental que obstaculiza el rendimiento de los cultivos. Las bajas temperaturas restringen el crecimiento y desarrollo de las plantas, mientras que las heladas causan daño tisular. Las pérdidas de rendimiento son aún más graves cuando el estrés por frío ocurre durante la etapa reproductiva. Los programas de mejoramiento para nuevas variedades tolerantes son diversos y generalmente se adaptan a las necesidades específicas de un cultivo en particular. Sin embargo, la respuesta de la planta al estrés por frío es compleja e implica muchos cambios fisiológicos, estructurales y bioquímicos, que interactúan con otros factores ambientales y procesos metabólicos. BoostCrop representa un enfoque novedoso para mejorar el rendimiento de los cultivos al proteger a las plantas del estrés por frío y estimular su crecimiento bajo una variedad de condiciones de crecimiento. La invención se basa en "calentadores moleculares"; Moléculas inspiradas en la naturaleza que absorben la luz de energías que son dañinas para la planta o que no se utilizan en la fotosíntesis y convierten esta energía luminosa en calor.
La visión a largo plazo de BoostCrop es desarrollar un conjunto de moléculas para la generación local de calor para la seguridad alimentaria. El novedoso y ambicioso programa de investigación de BoostCrop, que supera sustancialmente cualquier paradigma tecnológico existente, emplea un enfoque ascendente para diseñar calentadores de luz a moléculas que optimicen la absorción de componentes seleccionados del espectro solar. De este modo, la clave de BoostCrop reside en utilizar estos revolucionarios calentadores de luz a moléculas en una pulverización foliar para mejorar el crecimiento de los cultivos a baja temperatura y alta exposición a la radiación ultravioleta, aumentar el rendimiento de los cultivos a alta densidad de cultivo (condiciones que resultan en una menor proporción de longitudes de onda del rojo al rojo lejano; baja R:FR) y, en consecuencia, reducir los costes energéticos de los invernaderos. Para hacer realidad esta visión, BoostCrop reúne a un equipo de científicos con experiencia en diversas áreas de las ciencias físicas y biológicas. La tecnología radicalmente novedosa, basada en la ciencia, que el proyecto generará implica: (1) Guiar el flujo de energía fotónica en las moléculas; y (2) Utilizar esta energía para combatir los continuos desafíos europeos y globales, en primer lugar, en la producción sostenible de alimentos, así como en mejoras tanto en la atención médica como en la producción de energía limpia. Los esfuerzos combinados del equipo BoostCrop, que combina la experiencia de 6 universidades participantes con 13 investigadores principales universitarios, un instituto gubernamental con un líder de sección, una PYME con dos líderes de grupo (ver Sección 4) y abarca las 3 disciplinas principales de Química, Física, Biología, para crear un pulverizador foliar altamente eficiente, respetuoso con el medio ambiente y asequible para la mejora del crecimiento de los cultivos y, por lo tanto, la seguridad alimentaria sostenible.
Objetivos
El estrés por frío y congelación son limitaciones importantes para los cultivos y la horticultura. BoostCrop busca reducir ese estrés mediante un invento llamado "calentadores moleculares". Se trata de moléculas inspiradas en la naturaleza que absorben la radiación solar y la convierten en energía térmica. La invención reduciría las pérdidas de rendimiento debido al estrés por frío, extendería las temporadas de crecimiento y las ubicaciones geográficas adecuadas para la agricultura, aumentaría el rendimiento de los cultivos con una alta densidad de cultivos y, al mismo tiempo, reduciría los costos de energía del invernadero. BoostCrop se esfuerza por aumentar la producción de alimentos para alimentar a una población en continuo crecimiento, abordando así un importante desafío europeo y mundial en materia de seguridad alimentaria. El programa de investigación multidisciplinario descrito en BoostCrop demostrará cómo los procesos moleculares intrínsecos que subyacen a la transferencia de energía, y que ocurren en escalas de tiempo de decenas de billonésimas de segundo, pueden manipularse de manera que las propiedades macroscópicas se vean afectadas. Los objetivos del programa de investigación incluyen: (1) aplicar experimentos y teorías de última generación para rastrear y comprender, con un detalle sin precedentes, el flujo de energía en moléculas específicas inspiradas en la naturaleza; (2) manipular este flujo de energía mediante modificación química; y (3) desarrollar un conjunto de moléculas para satisfacer las necesidades del crecimiento de los cultivos en el campo y en condiciones protegidas (invernadero). Estas moléculas luego se aplicarán a los cultivos mediante una pulverización foliar acuosa. El programa de investigación propuesto ofrece un enfoque transdisciplinario y sinérgico para desarrollar y comprender las propiedades de nuevos calentadores de fotones a moléculas. La experiencia combinada de seis universidades (y personal que abarca química, física y biología), un instituto gubernamental y una PYME con una destacada trayectoria en el desarrollo de agrotecnologías sostenibles garantizará que se cumpla la visión a largo plazo de BoostCrop de desarrollar calentadores moleculares para su uso en pulverización foliar, contribuyendo así significativamente a la seguridad alimentaria y tecnológica del futuro de Europa.
Resultados
Una molécula especial no tóxica que los agricultores pueden rociar sobre las plantas actúa como un calentador natural para ayudar a los cultivos a resistir las olas de frío y aumentar el rendimiento
Algunas plantas sufren considerablemente las olas de frío. Mejorar la resiliencia al frío puede aumentar la productividad, alargar la temporada de crecimiento y permitir que los cultivos crezcan en áreas donde antes corrían el riesgo de sufrir daños por heladas. A mayor escala, podría mejorar la seguridad alimentaria. El proyecto BoostCrop , financiado por la UE , identificó moléculas naturales productoras de calor que se pueden aplicar a los cultivos en el campo. "Los llamamos calentadores moleculares; son como mantas térmicas que protegen el cultivo de las olas de frío repentinas", explica el coordinador del proyecto Vasilios Stavros, profesor de Química Física en la Universidad de Birmingham , Reino Unido. "Identificamos una molécula específica en las plantas que absorbe la luz en ciertas regiones del espectro que no interfieren con la fotosíntesis de la planta. La planta convierte esa energía luminosa en calor que luego se distribuye por la hoja". "Esa fue nuestra molécula de partida. Sabíamos que no era tóxica y pensamos que intentaríamos diseñar nuevas moléculas en torno a esta molécula natural que se puedan incluir en un pulverizador foliar".
Moléculas de calor bioinspiradas para el crecimiento de las plantas
Químicos, físicos y biólogos se unieron a una pyme de agrotecnología. Con la ayuda de un químico especializado en la creación de moléculas inspiradas en la naturaleza, el equipo consideró qué nuevas moléculas podrían diseñarse para convertir mejor la luz en calor en las hojas. Mediante una combinación de química sintética ecológica, espectroscopía y modelado teórico, el equipo desarrolló varias moléculas novedosas y las probó en condiciones simuladas en una cámara de crecimiento.
Reduciendo gradualmente las moléculas candidatas
“Demostramos con éxito en el laboratorio que se produjo un aumento térmico significativo tanto en la planta como en la hoja tras la aplicación de la molécula y bajo radiación UV-A/B”, señala Stavros. “Descubrimos que la rápida conversión de energía de las moléculas en calor es crucial para una tecnología de calentamiento molecular eficaz”. Un proyecto anterior, NatuCrop, financiado por la UE , analizó la protección natural de los cultivos contra el calor y otros factores de estrés para mejorar el rendimiento. Sin embargo, Stavros explica que algunos posibles calentadores moleculares eran casi imposibles de sintetizar en un laboratorio. Otros resultaron ser tóxicos y tuvieron que descartarse, dejando tres nuevas moléculas candidatas que superaron todas las pruebas de seguridad iniciales. Las moléculas candidatas debían formularse en un producto que pudiera pulverizarse sobre las plantas y extenderse uniformemente a lo largo de la hoja sin burbujear. La formulación también debía ser estable durante unos dos años en un recipiente. Sin embargo, algunas moléculas candidatas se descomponen o degradan en 2 o 3 horas de irradiación, lo que también las volvería inutilizables en el campo.
Pruebas de campo en cultivos
Tras las pruebas de laboratorio, las moléculas candidatas se probaron en campo en tomate, pepino y lechuga en España, y en trigo de primavera, maíz y remolacha azucarera en Alemania. Durante largas semanas de experimentos, los biólogos monitorearon las moléculas que produjeron el mayor cambio de temperatura. Los ensayos de campo se vieron afectados por la pandemia de COVID-19, ya que el equipo tuvo que centrarse en una época particular del año con potencial de daños por heladas. Stavros afirma: «Con la COVID, nos perdimos dos temporadas de crecimiento». No obstante, durante estos ensayos se observó un aumento en el rendimiento, que fue tan bueno o mejor que el de los bioestimulantes comerciales. Al final del proyecto de 5 años: «Pudimos sintetizar hasta un kilogramo de la molécula de interés y llevar a cabo ensayos de campo con éxito, lo cual es bastante increíble», comenta Stavros. La siguiente fase es la comercialización; el análisis preliminar de costes muestra que es viable, añade.
Información adicional
La agricultura es un tema crucialmente importante para la UE (y a nivel mundial): casi el 40% del presupuesto anual de la UE se gasta en agricultura. El mercado mundial de agroquímicos en 2015 se estimó en 179 mil millones de euros, de los cuales Europa representa el 11%, mientras que EE. UU. (59%) y Asia (22%) dominan el mercado (www.marketsandmarkets.com). Claramente, hay mucho margen para que la UE mejore su liderazgo mundial en este sector. El estrés por frío y congelación son limitaciones importantes para los cultivos y la horticultura. La invención de BoostCrop sobre "calentadores moleculares" para aumentar el rendimiento de los cultivos durante el estrés por frío, extender las temporadas de crecimiento, expandir las ubicaciones geográficas adecuadas para la agricultura (por ejemplo, a mayor altitud) y aumentar el rendimiento de los cultivos a alta densidad de cultivos, tendrá un gran impacto a nivel mundial. Además, la reducción prevista en los costos de energía de los invernaderos sería inmensa; Un invernadero de tamaño industrial con una superficie de 40 000 pies cuadrados (3700 m²) supondría un ahorro de unos 3000 € al mes en calefacción. Esta estimación supone el uso de propano como combustible para mantener el invernadero a 17 °C, con una temperatura exterior media de 0 °C, y calentadores moleculares que consiguen un aumento de temperatura de 3 °C (algo realista).
Coordinadores
- THE UNIVERSITY OF BIRMINGHAM (UoB)
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