„Rozmawiam” z roślinami, aby poznać ich potrzeby

Możemy obserwować rośliny na różne sposoby, takie jak użycie dronów lub różnego rodzaju czujników do pomiaru i monitorowania parametrów życia roślin. Jednak najlepszym urządzeniem pomiarowym jest sama roślina, ponieważ to ona najlepiej wie, czego jej potrzeba.

Cechy morfologiczne, takie jak wygląd rośliny, jej budowa, architektura i kolor, pozwalają nam uzyskać informacje o kondycji rośliny oraz dowiedzieć się, czy czuje się dobrze w swoim otoczeniu, czy może źle reaguje na warunki, w których rośnie. Niestety, zmiany morfologiczne widoczne gołym okiem często obserwuje się z opóźnieniem, co w większości przypadków uniemożliwia nam skuteczne zapobieganie katastrofom, które mogą występować w ekosystemach rolnych, leśnych czy wodnych.

Procesy fizjologiczne, takie jak fotosynteza, odgrywają kluczową rolę w komunikacji z roślinami i ocenie ich zdrowia. Okazuje się, że fotosynteza jest procesem szczególnie istotnym, który dostarcza nam wielu możliwości komunikowania się z roślinami oraz oceniania ich stanu zdrowia. Podobnie jak u ludzi badamy serce, tak u roślin badamy aparat fotosyntetyczny, który można nazwać ich „sercem”. Ten aparat jest niezwykle wrażliwy, co oznacza, że reaguje on bardzo szybko na zmiany w otoczeniu, dokonując tych zmian w ciągu kilku sekund. Dlatego monitorując ten proces w czasie rzeczywistym, jesteśmy w stanie ciągle oceniać stan zdrowotny roślin i reagować na ewentualne zmiany.

„W wyjaśnieniu, dlaczego określamy stan roślin na podstawie fluorescencji chlorofilu posłużę się prostą analogią” –  mówi prof. dr hab. Hazem M. Kalaji z Instytutu Biologii SGGW.

„W naturze istnieją stałe parametry, które pozwalają określić stan zdrowia. Podobnie jak w przypadku ludzi, którzy przychodzą do internisty, aby sprawdzić swoje zdrowie, pierwszymi badaniami są osłuchanie pracy serca i pomiar ciśnienia krwi. Dlaczego? Ponieważ niezależnie od naszego pochodzenia, zdrowy człowiek ma określony zakres pulsacji serca (tętno), wynoszący od 60 do 100 uderzeń na minutę. To pierwsza informacja o naszym zdrowiu. Zarówno wysoki puls w spoczynku, jak i niski puls mogą świadczyć o chorobie. Podobnie jest z roślinami. W badaniach roślin dokonujemy pomiaru fluorescencji chlorofilu (w ciągu 1 sek.). Sygnał pochodzący z chloroplastów (photosystemów) roślin zdrowych daje stałą optymalną wartość w zakresie 0,83-0,85 (parametr Fv/Fm). Ta wartość jest taka sama zarówno dla traw, drzew, roślin uprawnych, jak i owoców, takich jak banany, jabłka i gruszki. Każde odchylenie od tej wartości (0,83-0,85) wskazuje na stres w roślinie. Dzięki temu jesteśmy w stanie rozpoznać, że jakiś czynnik lub stresor negatywnie wpływa na roślinę. Podobnie jak lekarz analizuje pracę serca na podstawie EKG, tak i my, badając krzywe indukcji fluorescencji chlorofilu, analizujemy te wyniki, aby ocenić stan zdrowia rośliny” – wyjaśnia profesor Kalaji.

Od teorii do praktyki

W rolnictwie i ogrodnictwie stosujemy obecnie ustalone doświadczalnie warunki wzrostu roślin, takie jak dawki nawozów. Jednak często używamy ich w nadmiarze. Nadszedł czas zmienić to podejście i dostarczać roślinie dokładnie tyle, ile roślina potrzebuje w danym okresie swojego życia. To oznacza dostarczanie odpowiedniej ilości wody, światła o odpowiednim spektrum, właściwego nawozu i odpowiedniej dawki. Zapotrzebowanie to zmienia się nie tylko w różnych fazach wzrostu, ale również codziennie i nawet co kilka minut. Roślina i jej otoczenie tworzą dynamiczny cykl przekazywania składników, który należy dokładnie monitorować i dostosowywać, aby zapewnić roślinom optymalne warunki wzrostu i zdrowia.

Zespół badawczy profesora Kalajiego dysponuje zestawem urządzeń, które umożliwiają nieinwazyjne i ciągłe pomiary sygnałów fluorescencji chlorofilu, co stanowi wiarygodny wskaźnik procesu fotosyntezy. Te urządzenia można z powodzeniem stosować na różnych skalach, począwszy od mikroskalowej aż do monitorowania całego ekosystemu. Dzięki temu badacze mogą uzyskiwać cenne informacje na temat zdrowia roślin i ekosystemów oraz dostosowywać środowisko do ich potrzeb w sposób precyzyjny i efektywny.

Ta technologia umożliwia zbieranie danych pomiarowych w sposób nieinwazyjny w ciągu jednej sekundy, nawet 300 tysięcy takich danych. Kształt krzywej pomiarowej uzyskanej dla każdego gatunku rośliny jest identyczny, a wszelkie odchylenia od normy dostarczają informacji na temat braków lub nadmiarów składników, których roślina potrzebuje do prawidłowego wzrostu i funkcjonowania.

Dzięki tej wiedzy i prowadzonym badaniom, zespół profesora Kalajiego pracuje nad opracowaniem biologicznego systemu sprzężenia zwrotnego, który umożliwia wczesne wykrycie niedoborów składników mineralnych w roślinach, nawet w warunkach polowych. Ten innowacyjny system może znacząco przyczynić się do poprawy zdrowia i wydajności roślin uprawnych, co ma istotne znaczenie dla rolnictwa i produkcji żywności. 

 To rzeczywiście prawdziwa rewolucja w rolnictwie i ogrodnictwie. Przewagą tego systemu nad innymi podobnymi jest fakt, że otrzymywane sygnały pozwalają na wykrycie zapotrzebowania roślin na składniki mineralne dużo wcześniej niż jest to widoczne gołym okiem lub wykrywane innymi tradycyjnymi metodami, takimi jak pomiary spektrofotometryczne. Dodatkowo, ten system umożliwia roślinom kontrolowanie środowiska, na przykład w szklarniach, co pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie zasobów, takich jak światło. To tylko kwestia odpowiedniego dostosowania narzędzi i technologii do potrzeb rośliny, co może przynieść ogromne korzyści w dziedzinie rolnictwa, ogrodnictwa, leśnictwa i ekologii.

System może być instalowany na stałe, na przykład w szklarniach lub na masztach, lub też może być montowany na mobilnych urządzeniach i maszynach, takich jak drony, autonomiczne platformy lub maszyny rolnicze. To elastyczne podejście pozwala dostosować system do różnych potrzeb i warunków, co zwiększa jego wszechstronność i możliwości zastosowania. Dzięki temu można skutecznie monitorować i kontrolować rośliny w różnych środowiskach i fazach wzrostu, co przyczynia się do optymalizacji procesów uprawy roślin.

Kluczową zaletą tego rozwiązania jest możliwość dokonywania pomiarów w sposób nieinwazyjny i bardzo szybki, co umożliwia uzyskanie dużej ilości wyników w krótkim czasie – od kilku sekund do kilku minut. Zebrane dane są następnie przetwarzane przy użyciu technologii opartych na sztucznej inteligencji (AI)  uczeniu maszynowym (ML). System będzie również zdolny do sugerowania optymalnych dawek nawozów w czasie rzeczywistym, wskazując, który z pierwiastków jest niedoborowy i w jakiej ilości należy go uzupełnić. Przez ponad 4 lata zespół profesora dr. hab. Hazema M. Kalajiego pracował nad prototypem takiego urządzenia, co stanowi istotny krok w kierunku doskonalenia i automatyzacji rolnictwa oraz ogrodnictwa. Projekt jest realizowany w ramach współpracy z sektorem prywatnym, z firmą Sanus.

„Dzięki poznaniu języka roślin i możliwości rozmawiania z nimi, jesteśmy w stanie słuchać ich potrzeb i dostarczać im dokładnie to, czego potrzebują, w odpowiedniej ilości, aby zapewnić im najlepsze warunki do osiągnięcia optymalnego wzrostu i plonu. To podejście umożliwia bardziej precyzyjne i zrównoważone gospodarowanie zasobami w rolnictwie i ogrodnictwie, co może przyczynić się do zwiększenia efektywności produkcji i redukcji negatywnego wpływu na środowisko naturalne” – wyjaśnia prof. H. Kalaji.