Nanotecnología para la detección y control de enfermedades de cultivos agrícolas.

Dra. Ileana Vera Reyes

Investigadora de Cátedras del Departamento de Biociencias

y Agrotecnología del CIQA.

La nano-biotecnología que se ha conocido como una tecnología con plataformas a nanoescala que pueden ayudar a desarrollar pesticidas eficientes y ecológicos 1,2 estos trabajos se centran en la entrega temporal de los analitos deseados que se considera como un componente de la agricultura de precisión 3

En agricultura, los nuevos desarrollos tecnológicos involucran la aplicación de nanotecnología destinada a mejorar el rendimiento de los cultivos, la eficiencia de absorción de nutrientes, el control de plagas, entre otros. Investigaciones recientes muestran que los fertilizantes de liberación controlada, los nutrientes encapsulados en microesferas y combinaciones de nanomateriales (NMs), especialmente nanopartículas (NPs) de óxidos de Zn, Fe, Mn y Cu; estos tienen el potencial de suministrar micronutrientes a las plantas a través del suelo o las hojas con aumento del rendimiento de los cultivos. Evitando el uso excesivo de compuestos químicos que sabemos trae consigo problemas como disminución de la fertilidad del suelo, la contaminación del aire y el agua y la desestabilización de los ecosistemas. Adicionalmente, las NPs pueden controlar el crecimiento de organismos fitopatógenos, los cuales han generado resistencia a los pesticidas comerciales, lo que resulta que los agricultores usen pesticidas más fuertes en mayor cantidad, algunos de los cuales son bastante tóxicos.

En el grupo de trabajo hemos evaluado diferentes nanomateriales metálicos de Ag, ZnO, ZnO/Ag sintetizadas con extractos de hojas de Larrea tridentata, Lippia graveolens y Florensia cernua. El uso de extractos en la sintesís de este tipo de nanopartículas es debida a los metabolitos como flavonoides, fenoles, terpenos, alcaloides, lectinas, que nos permiten la reducción y estabilización de las nanopartículas. Además, los extractos de las plantas, pueden brindar un efecto sinérgico antagónico contra los patógenos. Los resultados han demostrado el antagonismo in vitro de las NPs biosintetizadas contra de algunnas cepas como Alternaria solani, Fusarion oxysporum, Clavibacter michiganensis y Pseudomonas syringe, brindando una alternativa en el control de hongos y bacterias fitopatógenos 4,5 . Ademas, las NPs de Ag biosintetizadas con extractos de L. tridentata fueron capaces controlar la enfermedad causada por C. michiganensis (Figura 1) al disminuir la incidencia y la severidad, reducir los síntomas de marchitamiento, asociado a la inhibición del crecimiento bacteriano en el tejido de la planta 6.

Figura 1. Plantas infectadas con Clavibacter michiganensis bajo

tratamiento con nnanoparticulas de plata, despues de 16 días de

infección.

Adicionalmente la nanotecnología nos puede servir para el monitoreo regular del estado del suelo y la detección de enfermedades. Los nanosensores pueden demostrar su potencial en diversas áreas como: en el desarrollo y crecimiento del cultivo, la detección de patógenos, los parámetros del suelo (pH y nutrientes), humedad del suelo, residuos de pesticidas, requerimientos de nutrientes, detección de contaminantes, entre otras aplicaciones 7 . Estos pueden ser clasificados de acuerdo con el tipo de mecanismo de transducción usado para la generación de señales, como electroquímicos, piezoeléctricos y ópticos. Estos últimos poseen la capacidad de detectar variaciones en las propiedades relacionadas con la radiación electromagnética como la longitud de onda, el tiempo de decaimiento, la intensidad de emisión, la dispersión y la polarización de la luz.

Recientemente mediante un proyecto multiciplinario esta en desarrollo un nanosensor óptico para la detección de Clavibacter michiganensis ssp. michiganensis que destaca como patógeno severo en tomate, cuyo cultivo representa el 22.5 % de las hortalizas cultivadas en México 8 . Mediante un conjunto de nanomateriales fotoactivos para la detección específica de esta bacteria conjugadas con biomoléculas específicas (ADN y anticuerpos) se busca el reconocimiento y anclaje de la bacteria o sus componentes, y de manera simultánea para amplificar sus señales analíticas características. Las NPs al tener una química de superficie única, características eléctricas y térmicas, sensibilidades y límites de detección mejorados los hacen adecuadas para diseñar mejores sistemas de detección. Adicionalmente, el tiempo de respuesta rápido, la alta relación superficie-volumen y resultados más confiables han demostrado los beneficios de los nanosensores sobre los sensores convencionales 9 .

La aplicación de la nanotecnología en el sector agrícola puede reducir el daño ambiental de su producción, beneficiando a la agricultura de precisión, además de mejorar la intervención humana a través de dispositivos como los sensores que facilitarán la productividad.

Nuestra investigación requiere de un trabajo multidisciplinario, y en el CIQA lo hemos integrado por investigadores como la Dr. Luis A. García Cerda (materiales), Dra. Ileana Vera-Reyes (Agrobionanotecnología), M en C Gladys de los Santos Villarreal (químico), Dra. Mona Kassem (virología)y el Dr. Gonzalo Ramirez García (Materiales nanoestructurados).

El presente trabajo ha financiado por convocatoria de proyecto internos de CIQA.

Referencias:

1. Deka, B., Nisha, S. N., Baruah, C., Babu, A., & Satkar, S. (2022). Agricultural Pest Management with Plant-Derived Nanopesticides: Prospects and Challenges. Journal of Applied Nanotechnology, 1(1), 1-9.
2. Wu, H., & Li, Z. Recent advances in nano-enabled agriculture for improving plant performance. Crop J. 2021.
3. Kah, M., Tufenkji, N., & White, J. C. (2019). Nano-enabled strategies to enhance crop nutrition and protection. Nature nanotechnology, 14(6), 532-540.
4. Muñoz-Ordoñez I. 2020.
5. Vera‐Reyes, I., Esparza‐Arredondo, I. J. E., Lira‐Saldivar, R. H., Granados‐Echegoyen, C. A., Alvarez‐Roman, R., Vásquez‐López, A., ... & Díaz‐Barriga Castro, E. (2019). In vitro antimicrobial effect of metallic nanoparticles on phytopathogenic strains of crop plants. Journal of Phytopathology, 167(7-8), 461-469.
6. Méndez‐Andrade, R., Vallejo‐Perez, M. R., Loera‐Alvarado, E., de los Santos‐Villarreal, G., García‐Cerda, L. A., Vera‐Reyes, I. (2022). Efficacy of biosynthesized silver nanoparticles from Larrea tridentata against Clavibacter michiganensis. Journal of Phytopathology, 170(2), 91-99.
7. Javaid, M., Haleem, A., Singh, R. P., Rab, S., & Suman, R. (2021). Exploring the potential of nanosensors: A brief overview. Sensors International, 2, 100130.
8. SAGARPA, Planeación agrícola nacional 2017-2030, https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/257077/Potencial-Jitomate.pdf.
9. Beegum, S., Das, S. (2022). Nanosensors in agriculture. Editor(s): Sougata Ghosh, Sirikanjana Thongmee, Ajay Kumar, In Woodhead Publishing Series in Food Science, Technology and Nutrition, Agricultural Nanobiotechnology, Woodhead Publishing, Pages 465-478, ISBN 9780323919081, https://doi.org/10.1016/B978-0-323-91908-1.00012-2.