Cómo maximizar el rendimiento de los cultivos con el fenotipado de alto rendimiento usando Artec Space Spider

El reto: Un investigador especializado en el fenotipado de alto rendimiento del Lolium perenne, más conocido como ballica, necesitaba una forma de medir de forma no destructiva 160 plantas distintas sobre el terreno, de seis a ocho veces, a lo largo del proyecto, con el fin de identificar las plantas concretas con los mejores atributos, de cara a la mejora genética y los agricultores.

La solución: Artec Space Spider, Artec Studio, ImageJ, 3D Slicer

El resultado: Se usó Artec Space Spider para capturar con precisión cada espiga de ballica en cuestión de minutos, lo que ha resultado en escaneos 3D de precisión submilimétrica de cada planta, dando a los investigadores una visión más profunda a lo largo de su ciclo de crecimiento. Tras el escaneo, los modelos 3D de las espigas se "esqueletaron" digitalmente, revelando con precisión milimétrica la esencia topográfica de la estructura de cada espiga.

Una espiga de ballica perenne en flor

Nuestro mundo se está quedando sin alimentos, y la situación no hace más que empeorar. La población mundial está aumentando y se espera que supere los 9.700 millones de personas en el año 2050. Numerosos expertos afirman que el nivel de producción de alimentos debe aumentar entre un 50 y un 98% para entonces, sólo para alcanzar un nivel estable de sostenibilidad alimentaria. Y eso sin tener en cuenta los efectos imprevisibles del cambio climático, que se aceleran a medida que nos acercamos a mitad de siglo.

Los agricultores de todo el mundo se enfrentan al enorme reto de cultivar más cantidad en superficies cada vez más pequeñas. Y a pesar de las sequías, las inundaciones, las plagas y las enfermedades de las plantas, conseguir de alguna manera un rendimiento sostenible de los cultivos.

Con cientos de millones de personas en todo el mundo que se acuestan con hambre cada noche, todavía estamos muy lejos de satisfacer las necesidades actuales de sostenibilidad alimentaria. Una cosa en la que coinciden los expertos de todo el mundo es que, si queremos darle la vuelta a la tortilla, será necesaria una innovación agrícola sin precedentes.

La última tecnología, con raíces antiguas

Una de estas innovaciones destinadas a aumentar el rendimiento de los cultivos en condiciones difíciles es el proceso de fenotipado de alto rendimiento. En pocas palabras, el fenotipado es el acto de observar y analizar plantas concretas, para luego hacer determinaciones y predicciones basadas en las propiedades individuales observables de una planta. Algo que los agricultores llevan haciendo desde hace más de 10.000 años.

Antiguo sacerdote egipcio con trigo, Templo de Horus, aproximadamente en el siglo II a.C.

Mientras recorrían sus campos, seleccionaban cuidadosamente las plantas con las características más adecuadas, de las que recogían semillas para futuras siembras. Se arrancaban las semillas de los cultivos que aún estaban en pie, mientras que las semillas que ya se habían desprendido de las plantas y habían caído al suelo simplemente se desechaban. Las plantas afectadas por insectos y otros signos de debilidad también se desechaban.

Repetir este proceso miles de veces a lo largo de la historia ha dado como resultado, en su mayor parte, cultivos resistentes y nutritivos que hoy alimentan a miles de millones de personas en todo el mundo. En la actualidad, aproximadamente el 75% de las calorías humanas proceden de sólo 12 cultivos principales, por lo que si nos centramos en estas plantas tendremos más posibilidades de satisfacer las crecientes necesidades alimentarias de la humanidad.

Lo interesante ocurre al unir el "alto rendimiento" con el fenotipado. En esencia, esto significa utilizar distintas herramientas y tecnologías no destructivas para aumentar rápidamente la precisión de la recopilación y el análisis de los datos de las plantas. El método tradicional de fenotipado consistía en cortar una planta y llevarla al laboratorio para su análisis. Una vez allí, se estudiaban y medían cuidadosamente las complejas características físicas de la planta, con ayuda de una gran variedad de calibres y reglas.

Es urgente resolver un problema que afecta a todo el sector

El laborioso método de medición manual es el estándar del sector y lo ha sido durante décadas, pero con el auge de la tecnología, surge el fenotipado de alto rendimiento. Travis Tubbs, comandante de la Fuerza Espacial de Estados Unidos, es un investigador que detectó el enorme potencial de esta técnica para recoger datos de las plantas de forma más rápida y precisa. Durante su investigación sobre la ballica perenne en la Universidad Estatal de Oregón, Tubbs se dio cuenta de que necesitaba una forma de analizar con precisión cientos de plantas, pero en mucho menos tiempo que con el método tradicional.

Diagrama de la ballica perenne (Lolium perenne)

La ballica perenne es el cultivo de hierba de estaciones frías más popular y mejor adaptado, utilizado en muchos países para la alimentación del ganado. Solo en el estado de Oregón, se cosecharon 360 millones de libras de semillas de ballica en 2019, con unas ventas de semillas por valor de más de 186 millones de dólares. Y, sin embargo, cada año se pierde irremediablemente más del 20% de la que se cultiva, debido a la rotura prematura de la semilla, que es cuando las semillas se desprenden de la planta antes de tiempo

La dispersión es una característica común de muchas plantas, y cuando ocurre en el momento adecuado, da lugar a que las semillas se dispersen y acaben convirtiéndose en la siguiente generación de plantas.

Ballica perenne en el laboratorio de investigación de campo Hyslop Crop Science de la Universidad Estatal de Oregón

Según Tubbs, "para saber con precisión qué estirpes de ballica son menos propensas a la rotura prematura de las semillas, hay que analizar las espiguillas de cientos de plantas, para medir la fuerza con la que retienen sus semillas, así como su altura y longitud. El método antiguo de medición manual no sólo implica la pérdida de muchas plantas, sino que además no es posible medir con precisión tantas espiguillas en el poco tiempo que hay entre ciclos de cultivo.

El escaneo 3D entra en escena

Tras estudiar las prestaciones de la fotogrametría y otros métodos similares de captura rápida de datos, Tubbs estuvo a punto de diseñar su propio escáner 3D para usarlo en el campo. Fue entonces cuando llegó a la página web de Artec 3D y descubrió Artec Space Spider, un escáner 3D profesional de mano , el favorito de los investigadores desde hace años. Rápidamente se puso en contacto con su distribuidor local y concertó una demostración personalizada.

Artec Space Spider

Richman Siansimbi es distribuidor certificado Gold de Artec en Digital Scan 3D, se reunió con Tubbs, y juntos escanearon algunas muestras de plantas de ballica utilizando Space Spider. Esa tarde, Tubbs vio que los escaneos submilimétricos del Space Spider le darían detalles más que suficientes para sus análisis, y con la ayuda de Siansimbi, dieron sin esfuerzo con un flujo de trabajo repetible para escanear las plantas de ballica, un método que Tubbs sigue utilizando a día de hoy.

Tubbs simplemente tiene que salir al campo y encontrar la planta con las espiguillas que quiere capturar. A continuación, dobla con cuidado la parte superior de la planta hacia el suelo y la apoya en un fondo utilizado para escanear. Al principio, se trataba de una banda elástica de color púrpura, ya que era lo suficientemente ancha y flexible como para apoyarse en el suelo y mantenerse firme durante el proceso de escaneo, tardaba menos de un minuto en escanear cada planta.

Captura de pantalla de Artec Studio 15 que muestra un escaneo de Space Spider de una espiga de ballica

Después de más ensayos y con la ayuda online de la página web de Artec, Tubbs descubrió que usar una pizarra rígida en blanco y negro como fondo facilitaba el procesamiento de los escaneos en el software Artec Studio. Para los investigadores que busquen una solución aún más rápida, Tubbs recomienda utilizar simplemente un trozo de papel de periódico, que servirá perfectamente, con los bordes sujetos en caso de que haga viento.

Demostrando la excepcional precisión de esta tecnología

Para confirmar científicamente la precisión de Artec Space Spider, Tubbs cogió una regla calibrada y la fotografió con una Nikon D5000 DSLR. Luego procesó la fotografía usando el software ImageJ, marcando cada centímetro de los 20 que tenía la regla. Este proceso se repitió con el modelo escaneado.

Arriba: Escaneo 3D de Artec Space Spider con cada centímetro medido. Abajo: imagen 2D de la Nikon D5000, medida con el software Imagej

Gráfico que compara la precisión de las mediciones de imágenes en 2D con la precisión de Artec Space Spider en 3D

Tubbs representó gráficamente ambas mediciones para comparar visualmente la precisión entre los dos métodos de captura. Esto indica que ambas formas de medición son acertadas a la hora de medir las espigas de ballica perenne con mucha fidelidad. La medición de la fotografía 2D tiene un error de ±1,72 mm, mientras que la medición con Space Spider tiene un error de ±0,09 mm. Las pequeñas diferencias de precisión entre los dos métodos no son significativas desde el punto de vista estadístico (valor P de 0,92), pero sirven para corroborar la precisión del dispositivo.

Escaneo en 3D de las espigas de ballica en la oscuridad

Durante los dos años que duró el proyecto, los días de escaneo, Tubbs iba al laboratorio de investigación de campo Hyslop Crop Science, en Oregón. Iba antes del amanecer y empezaba a escanear, tras unas horas dejaba de trabajar hasta la noche, cuando empezaba a escanear de nuevo. El método de captura único del Space Spider de Artec le permitía trabajar durante toda la noche, cuando la luz ambiental era mínima. En total, Tubbs tenía 640 plantas de ballica.

Imagen de Google Maps que marca el origen de las 40 semillas diferentes de ballica suministradas por el USDA

Estas plantas proceden de semillas recogidas por el USDA en 40 lugares diferentes del mundo, sitios tan lejanos como Irlanda, Dinamarca, Bélgica, Países Bajos, Grecia, Argelia, Nueva Zelanda y Estados Unidos, entre otros. De esas 40 semillas originales, Tubbs crió y seleccionó las cuatro más representativas de su "familia" genética. El resultado fue una "repetición" de 160 plantas. Estas 160 plantas se clonaron cuatro veces y se plantaron al azar en un gran campo, para eliminar las variables ambientales del análisis.

Tubbs escaneó sólo una muestra, es decir, una cuarta parte del total de las 640 plantas, esta muestra más pequeña permitió a Tubbs escanear y analizar cada planta entre 6 y 8 veces a lo largo del proyecto. Estos 800 escaneos 3D de alta resolución de Space Spider han proporcionado a Tubbs una inmensa cantidad de datos concretos sobre qué plantas son menos propensas a la rotura de semillas y por qué.

Captura de pantalla de Artec Studio 15 que muestra un escaneo de Space Spider de una espiga de ballica en modo de rayos X

Tubbs resume su proceso de escaneo: "Antes de cada escaneo, marcaba la espiga, y una semana después volvía a capturala. Después de repetir este proceso tres o cuatro veces, podía confirmar que este era el aspecto de cada espiga y de todas sus espiguillas al principio, y este es su aspecto actual. Desde el principio hasta el final, se puede medir con precisión el crecimiento orgánico que se produce en cada una de las estructuras de cada espiga".

"El método tradicional de fenotipado no nos ofrece esta transparencia del ciclo de crecimiento de la planta. Hay que destruir la planta para poder medirla, y cuando esto ocurre ya es imposible saber cómo crecerá y qué aspecto tendrá la siguiente semana”.

Los límites de Space Spider para el fenotipado de precisión de alto rendimiento

Con los escaneos de Space Spider, Tubbs puede medir todas y cada una de las espiguillas con una precisión inferior a un milímetro, con mediciones precisas de todas sus superficies y geometrías irregulares. Por ejemplo, las características topográficas completas de los grupos de semillas en cada espiga, sus numerosos bordes y ángulos, así como la zona de abscisión (donde la semilla se desprende de la planta), lo que es crucial para interpretar el fenotipo único de cada planta.

Espiguillas de ballica perenne

Tubbs compara el antiguo método de fenotipado con la gran cantidad de datos exactos que ha obtenido con Space Spider: "Se tomaban muestras aleatorias de 30 o 40 plantas individuales. A continuación, había que suponer que esas muestras aleatorias representaban todo el panorama, aunque a menor escala. Todos los artículos científicos en los que los investigadores utilizan ese método son básicamente así".

Para que sus análisis fueran aún más precisos, Tubbs exportó los escaneos 3D a 3D Slicer, un software de código abierto para analizarimágenes y exploración científica, donde empezó a "esqueletar" los modelos de alta resolución de las espigas de ballica. 3D Slicer permitió a Tubbs cortar digitalmente cada espiga 3D en una colección de miles de cortes circulares separados.

Escaneo de Space Spider de una espiga de ballica

Esta función, que normalmente se utiliza para las radiografías, los TAC y las resonancias magnéticas, ofrece a Tubbs la base para la siguiente fase del proceso de esqueletización. Llevando estos nudos digitales en 3D al software ImageJ, Tubbs determina el centro exacto de todos y cada uno de los miles de cortes que componen cada nudo.

A continuación, conecta el centro de cada segmento, línea por línea, con el siguiente, lo que da como resultado una espiga contigua y esquelética. Tubbs nos explica, “esto condensa la planta al máximo, la esencia anatómica de su estructura, con toda su complejidad, y me da como investigador justo lo que necesito para estudiar características como la longitud y la arquitectura de las espigas, el número de espiguillas por espiga, la distancia entre espiguillas a lo largo del raquis, así como el ángulo de unión de las espiguillas al raquis, tamaños y otros datos."

Granos, frutas y verduras de calidad superior, resistentes a los insectos y a la sequía

Una vez identificadas las plantas con mejores características en el campo, estas pueden estudiarse a nivel genético y utilizarse para la propagación y el cultivo de otras plantas. De este modo, en un mínimo de generaciones, los investigadores pueden conseguir no sólo una ballica superior, sino también todo tipo de plantas, desde el arroz, la cebada y el trigo hasta todo un espectro de frutas y verduras. Plantas que serán muy resistentes a los insectos y a la sequía, y que no necesitarán apenas pesticidas.

Según Tubbs, “Se trata de una carrera sin línea de meta. Porque mientras nosotros creamos plantas más robustas, los insectos se adaptan con la misma rapidez para superar la resistencia de las plantas. Esta es una guerra que se ha librado entre las plantas y las plagas desde hace millones de años. Intentamos inclinar la balanza a favor de las plantas eligiendo las que tienen rasgos que las ayudarán a sobrevivir y prosperar. El fenotipado de alto rendimiento y Artec Space Spider nos ayudan a ir por delante de todos los demás competidores.”

Una comparación entre los diferentes aspectos del fenotipado de alto rendimiento utilizando métodos de obtención digital

La búsqueda de herramientas eficaces para lograrlo no hace más que aumentar. Tubbs explica, "hoy en día, en la agricultura se invierten grandes sumas de dinero en investigar soluciones eficaces de fenotipado de alto rendimiento. Los investigadores de todo el mundo se esfuerzan por encontrar la manera de hacerlo para todos los cultivos del mundo".

"En cuanto a mí, me estoy centrando en la ballica porque es el cultivo básico aquí. Pero podríamos hacer lo mismo con el maíz, el trigo o cualquier otro cereal o planta".

En cuanto a la facilidad de uso del escáner, Tubbs comenta: "La técnica que utilizo para capturar la ballica o cualquier otra planta es muy fácil de aprender. He enseñado cómo usar Artec Space Spider en algunas de las conferencias a las que hemos asistido. Hay diferentes técnicas que uso en el campo y me encanta compartirlas con otros investigadores".

Tubbs se reafirma en la confianza que tiene en esta nueva tecnología, “No hay duda de que el fenotipado de alto rendimiento, lo que hago con Artec Space Spider, es el futuro de la agricultura. Permite a los cultivadores de plantas y a los agricultores seleccionar los especímenes con las características más adecuadas con la suficiente rapidez para responder a las demandas inmediatas y futuras, tanto en lo que se refiere a la resistencia como a la producción de una planta, para que crezca mejor en un entorno cambiante. Cuanto más rápido podamos tomar decisiones selectivas, mejor podremos prepararnos para las necesidades futuras.”