Ninguém sabe realmente o que as raízes das plantas estão fazendo quando estão em casa. Desenterrar uma planta expõe as raízes, mas destrói o tecido natural do solo. Perdem-se informações sobre o arranjo natural intacto das raízes e do solo. Idem para estudar as raízes das plantas em vasos. Na verdade, não há método de campo não invasivo para determinar, em detalhe, como os sistemas de raízes das plantas cultivadas mudam ao longo do tempo em resposta às variações do clima ou dos nutrientes do solo.

É por isso que o governo federal iniciou um programa ambicioso para revelar as vidas secretas das raízes, que inclui o uso de imagens de ressonância magnética (MRI) de plantas vivas no campo.

Os cientistas do NIST Karl Stupic e Joshua Biller estão desempenhando um papel fundamental, apoiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada-Energia (ARPA-E) no âmbito de um programa denominado ROOTS, for Rhizosphere Observations Optimizing Terrestrial Sequestration. O projeto, A Ressonância Magnética para o Crescimento da Raiz é liderada pela Texas A&M University com parceiros no Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging em Boston, Massachusetts, e ABQMR, Inc., um Albuquerque, Novo México, empresa de pesquisa e desenvolvimento especializada em tecnologias de ressonância magnética.

"Quase tudo o que sabemos sobre plantas vem do zero, "disse Stupic." Nosso objetivo é fornecer uma imagem das raízes em uma coluna de solo intacta, usando ressonância magnética com um campo magnético muito baixo, menos de 100 militesla, "ou 0,1 tesla. O tesla é a unidade de força do campo magnético no SI, o sistema internacional de unidades.

Por comparação, scanners de ressonância magnética humanos normalmente empregam campos poderosos na faixa de 1,5 a 3 tesla. Scanners desse tipo requerem grandes quantidades de infraestrutura e não são portáteis, então a equipe teve que desenvolver algo que pudesse responder às perguntas que eles tinham no campo.

"Queremos descobrir como as raízes vivas do solo interagem com o solo circundante, "disse Biller." As imagens da raiz são vitais para entender como o melhoramento da safra afeta a estrutura da raiz, bem como compreender a função dos atributos do solo, como teor de carbono orgânico, e determinar a tolerância de uma espécie à seca, vento, inundações e doenças. "

A questão é particularmente urgente porque a qualidade do solo e os níveis de solo superficial diminuíram ao longo do século passado, mesmo quando a agricultura moderna está aumentando a produtividade. De acordo com a declaração do programa ARPA-E, "Se for bem-sucedido, desenvolvimentos feitos no programa ROOTS produzirão safras que aumentarão muito a absorção de carbono no solo, ajudando a remover o dióxido de carbono (CO ₂ ) da atmosfera, diminuir o óxido nitroso (N ₂ O) emissões, e melhorar a produtividade agrícola. "

Rhizotrons e Radar

Existem vários métodos mais convencionais de examinar as raízes. Algumas pesquisas utilizam túneis subterrâneos com janelas de vidro ou recipientes transparentes chamados rizotrons. Uma desvantagem de tais métodos é que a área de vidro fornece uma rota preferencial para o fluxo de água, potencialmente distorcendo a formação de raízes. O radar de penetração no solo (GPR) também tem sido usado para detectar a estrutura da raiz. Frequências de microondas mais altas produzem resolução mais alta, mas eles não podem penetrar tão profundamente. "A estrutura total da raiz de culturas como o sorgo, que é o foco deste estudo, pode se estender até 1 metro abaixo do solo com base em amostras preliminares de nossos colaboradores na Texas A&M. A ressonância magnética de baixo campo é uma primeira etapa na investigação de toda a estrutura da raiz, "disse Biller.

Sorgo, um primo resistente e rico em energia do milho, é amplamente cultivado para a alimentação do gado e como matéria-prima para a produção de biocombustíveis, entre outros usos.

Na ressonância magnética, um objeto é exposto a um campo magnético enquanto é varrido com excitação de radiofrequência (RF). Para o programa ROOTS, o plano é implantar um pequeno sistema de ressonância magnética - inicialmente com 25 centímetros de diâmetro, mas eventualmente maior - para envolver a maior massa de raízes da planta e registrar as mudanças ao longo do tempo. O volume de imagem inicial irá capturar estruturas de raiz até 18 polegadas abaixo da superfície do solo.

Mas porque ninguém fez isso antes, o projeto exigirá extensa experimentação e testes antes da implantação em campo para garantir que o equipamento está produzindo um campo magnético homogêneo, verifique se o solo não está sendo aquecido a ponto de prejudicar a planta ou distorcer os dados, e responder a dezenas de outras perguntas.

Para esse fim, a equipe do NIST está construindo um scanner de baixo campo em um de seus Boulder, Colorado, laboratórios. Será um projeto aberto - cerca de 1,8 metros (6 pés) de comprimento, 1 metro (3 pés) de largura, e 2,1 metros (7 pés) de altura - com base em um sistema agora em uso no Martinos Center for Biomedical Imaging. O diretor do centro, Matthew Rosen, tem ampla experiência no uso de ressonância magnética de baixo campo (6,5 millitesla) para imagens humanas.

Stupic e seus colegas usarão o novo dispositivo para encontrar as melhores maneiras de criar raízes de imagem, e fornecer amostras de referência padrão e fantasmas - objetos sintéticos que imitam com precisão o material vegetal no scanner. Isso garantirá a comparabilidade dos dados e validará os resultados que em breve virão dos estudos de campo da Texas A&M usando scanners in-ground desenvolvidos pela ABQMR, Inc.

"Vamos desenvolver dados de referência de linha de base, objetos de calibração de design, e criar fantasmas de plantas 3D realistas, "Estúpido disse.

Espera-se que o sistema de digitalização do projeto esteja totalmente funcional durante o verão de 2018. "A meta inicial do ARPA-E é a imagem 10, 000 plantas em uma estação de cultivo de cinco a sete meses, "Stupic disse." Isso significa que temos que escanear cerca de 50 plantas por dia.

"Como parte de nossa missão é fazer com que a tecnologia seja usada no campo, também nos envolveremos na busca de maneiras de reduzir os componentes eletrônicos e hardware associado. Precisamos de algo que você possa trazer em um pequeno caminhão, talvez usando um ATV para correr ao lado das plantas e obter dados. E precisamos fazer tudo isso em questão de alguns meses. "O NIST fornecerá atualizações periódicas de notícias à medida que o projeto avança.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.