El Instituto de Agricultura Sostenible del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IAS-CSIC) ha coordinado dos investigaciones que aplican tecnología subnanométrica —imágenes hiperespectrales con una resolución entre cien y 300 veces superior a la de los sensores habituales— junto con termografía para identificar variaciones fisiológicas que permiten comprender con mayor precisión el impacto del riego en la fotosíntesis y facilitar la detección temprana de plagas y enfermedades.
El primer trabajo, publicado en la revista Remote Sensing of Environment, referente internacional en teledetección, marca un hito al demostrar que la teledetección con resolución espectral subnanométrica puede registrar la dinámica de la fotosíntesis y la transpiración a lo largo de distintas fases de estrés hídrico y durante el proceso de rehidratación, según detalla el IAS-CSIC.
Este estudio se ha realizado en plantaciones de almendro y aporta nuevas posibilidades para un riego de precisión basado en la observación combinada y detallada de la fluorescencia y la temperatura como indicadores del funcionamiento fotosintético y de la transpiración en este cultivo.
La reacción de las plantas frente al estrés hídrico conlleva alteraciones tanto en la transpiración como en la fotosíntesis, y el equilibrio entre ambos procesos cambia según la fase fenológica en la que se encuentre el cultivo y el nivel de estrés alcanzado.
En la actualidad, la gestión del riego de precisión se apoya sobre todo en la medición de la transpiración y del potencial hídrico como marcadores de estrés, empleando la teledetección térmica como herramienta principal para la toma de decisiones. No obstante, este enfoque no permite seguir adecuadamente la fotosíntesis, lo que puede tener efectos negativos sobre la productividad y la calidad del fruto.
El estudio, liderado por Na Wang y sustentado en una amplia red de colaboración internacional coordinada por el IAS-CSIC que incluye, además de España, a Australia, Corea del Sur, Alemania y China, con la participación de los equipos de QuantaLab & IrriSens del Instituto de Agricultura Sostenible del CSIC, HypersensLab de la Universidad de Melbourne, Seoul National University, Agriculture Victoria, la Universidad Normal de Nanjín y la Universidad Técnica de Múnich (TUM), representa un salto adelante en teledetección hiperespectral. Para ello se ha empleado un sensor de resolución subnanométrica capaz de cuantificar la fluorescencia de la clorofila inducida por el sol mediante el rellenado espectral en las denominadas líneas de Fraunhofer (F), utilizándolas como indicadores de fotosíntesis, una metodología que exige una resolución espectral extremadamente alta, entre 0,1 y 1 nm.
A modo ilustrativo, la resolución espectral aplicada en este trabajo es unas 50 veces superior a la de los sensores hiperespectrales convencionales y entre 150 y 350 veces mayor que la de las bandas del satélite Sentinel-2 de la Agencia Espacial Europea.
“Los resultados muestran que, aunque la temperatura del cultivo se recupera rápidamente tras la reanudación del riego debido al aumento de la transpiración, la fotosíntesis, monitorizada a través de la fluorescencia permanece parcialmente afectada, lo que indica limitaciones bioquímicas y fotoquímicas prolongadas incluso después de que el estado hídrico se normalice”, explica el investigador del IAS-CSIC Pablo Zarco, coordinador de dicho trabajo.
Asimismo, indica que “también hay fuertes diferencias diurnas entre la fluorescencia roja y la roja lejana a medida que los almendros responden al estrés durante el día, observación que depende del nivel de estrés hídrico en el que se encuentren”.
De este modo, la investigación concluye que los indicadores térmicos por sí solos pueden no reflejar el deterioro de la actividad fotosintética en determinados escenarios de estrés hídrico prolongado, poniendo de relieve la importancia de incorporar la monitorización de señales como la fluorescencia clorofílica para describir con mayor precisión el estado fisiológico del almendro y optimizar las estrategias de riego.
Nueva frontera en la detección de enfermedades
La segunda investigación, encabezada por Anirudh Belwalkar y desarrollada entre la Universidad de Melbourne (Australia) y la Universidad Técnica de Múnich (Alemania), bajo la coordinación de QuantaLab del Instituto de Agricultura Sostenible del CSIC, muestra cómo este sensor hiperespectral subnanométrico, capaz de registrar bandas espectrales extremadamente estrechas, abre igualmente una nueva frontera en la teledetección de enfermedades.
“La imagen subnanométrica permitió detectar cambios fisiológicos sutiles y tempranos causados por patógenos vasculares antes de que aparecieran síntomas visibles”, apunta Zarco, quien aclara que “combinando imágenes hiperespectrales subnanométricas aéreas con información térmica, pudimos detectar infecciones por Verticillium dahliae en estado temprano en olivos bajo condiciones controladas de estrés hídrico”. “Esta es una situación en la que la termografía tradicional falla al no ser capaz de detectar cambios en la transpiración inducida por el patógeno, que bloquea el sistema vascular”, ha aseverado.
Este trabajo abre nuevas oportunidades para la detección temprana del estrés biótico y se perfila como una vía prometedora hacia herramientas de monitorización de la salud vegetal de nueva generación basadas en rasgos espectrales subnanométricos. El estudio amplía los límites de lo que la imagen hiperespectral puede desvelar en la identificación precoz del estrés y de las interacciones planta-patógeno, y refuerza el nexo entre fisiología vegetal, espectroscopia y agricultura de precisión.
En conjunto, ambos estudios liderados por el IAS-CSIC evidencian que la frontera actual de la teledetección se sitúa ya por debajo del nanómetro en términos de resolución espectral, orientando los futuros avances hacia tecnologías capaces de capturar imágenes hiperespectrales de cultivos en la escala espectral del angstrom.