Uma planta de milho de nove folhas em um vaso fica em um prato do tamanho de um Frisbee. O conjunto começa a girar como a peça central em cima de uma caixa de música gigante, três graus por segundo, e depois de dois minutos, a planta voltou à posição original.

Mais um minuto passa, e em uma tela próxima aparece uma imagem 3D digital na paleta do Dr. Seuss:magenta e verde-azulado e amarelo, cada folha renderizada em um tom diferente, mas quase idêntica à sua contraparte real em forma, tamanho e ângulo.

Essa renderização e seus dados associados são cortesia da LiDAR, uma tecnologia que dispara luz laser pulsada em uma superfície e mede o tempo que leva para esses pulsos refletirem de volta - quanto maior o atraso, quanto maior for a distância. Ao escanear uma planta ao longo de sua rotação, esta técnica LiDAR de 360 ​​graus pode coletar milhões de coordenadas 3-D que um algoritmo sofisticado então agrupa e molda digitalmente nos componentes da planta:folhas, talos, ouvidos.

Yufeng Ge da Universidade de Nebraska-Lincoln, Suresh Thapa e seus colegas conceberam a abordagem como uma forma de reunir dados de forma automática e eficiente sobre o fenótipo de uma planta:as características físicas que emergem de seu código genético. Os dados fenotípicos mais rápidos e precisos podem ser coletados, com mais facilidade os pesquisadores podem comparar culturas que foram cultivadas ou geneticamente modificadas para características específicas - de preferência aquelas que ajudam a produzir mais alimentos.

Acelerar esse esforço é especialmente importante, os pesquisadores disseram, para atender às demandas alimentares de uma população global que deverá crescer de cerca de 7,5 bilhões de pessoas hoje para quase 10 bilhões em 2050.

"Já podemos fazer sequenciamento de DNA e pesquisa genômica muito rapidamente, "disse Ge, professor assistente de engenharia de sistemas biológicos. "Para usar essas informações de forma mais eficaz, você tem que emparelhá-lo com dados de fenotipagem. Isso permitirá que você volte e investigue a informação genética mais de perto. Mas isso agora é (alcançando) um gargalo, porque não podemos fazer isso tão rápido quanto queremos a um custo baixo. "

A três minutos por planta, a configuração da equipe opera substancialmente mais rápido do que a maioria das outras técnicas de fenotipagem, Ge disse. Mas a velocidade pouco importa sem precisão, então a equipe também usou o sistema para estimar quatro características de plantas de milho e sorgo. As duas primeiras características - a área de superfície de folhas individuais e todas as folhas de uma planta - ajudam a determinar quanta fotossíntese produtora de energia a planta pode realizar. Os outros dois - o ângulo em que as folhas se projetam de um caule e o quanto esses ângulos variam dentro de uma planta - influenciam a fotossíntese e a densidade de plantio de uma safra no campo.

A comparação das estimativas do sistema com medições cuidadosas das plantas de milho e sorgo revelou resultados promissores:91 por cento de concordância na área superficial das folhas individuais e 95 por cento na área total das folhas. A precisão das estimativas angulares era geralmente menor, mas ainda variava de 72 a 90 por cento, dependendo da variável e tipo de planta.

Tímido com câmeras

A data, a forma mais comum de fenotipagem 3-D se baseia na visão estereoscópica:duas câmeras que capturam simultaneamente imagens de uma planta e mesclam suas perspectivas em uma aproximação de 3-D, identificando os mesmos pontos de ambas as imagens.

Embora a imagem tenha revolucionado a fenotipagem de várias maneiras, tem deficiências. O mais curto, Ge disse, é uma perda inevitável de informações espaciais durante a tradução de 3-D para 2-D, especialmente quando uma parte de uma planta bloqueia a visão da câmera de outra parte.

"Tem sido particularmente desafiador para características como área foliar e ângulo da folha, porque a imagem não preserva muito bem essas características, "Ge disse.

A abordagem LiDAR de 360 ​​graus enfrenta menos desses problemas, os pesquisadores disseram, e exige menos recursos computacionais ao construir uma imagem 3-D a partir de seus dados.

"O LiDAR é vantajoso em termos de rendimento e velocidade e em termos de precisão e resolução, "disse Thapa, Doutoranda em Engenharia de Sistemas Biológicos. "E está se tornando mais econômico (do que antes)."

Daqui para frente, a equipe deseja introduzir lasers de cores diferentes em sua configuração LiDAR. A maneira como uma planta reflete esses lasers adicionais ajudará a indicar como ela absorve água e nitrogênio - o que é essencial para o crescimento da planta - e produz a clorofila necessária para a fotossíntese.

"Se pudermos lidar com essas três (variáveis) do lado químico e essas outras quatro (variáveis) do lado morfológico, e então combiná-los, teremos sete propriedades que podemos medir simultaneamente, "Ge disse." Então eu ficarei muito feliz. "

Os pesquisadores relataram sua nova abordagem na revista Sensores . Ge e Thapa foram os autores do estudo com Hongfeng Yu, professor associado de ciência da computação e engenharia; Feiyu Zhu, doutorando em ciência da computação e engenharia; e Harkamal Walia, professor associado de agronomia e horticultura.