Pour la présente étude, les chercheurs ont injecté la solution dans des feuilles de maïs, qu’ils ont choisies, en partie parce que la culture est essentielle à l’approvisionnement alimentaire mondial. Les nanocapteurs recouvraient l’extérieur des cellules de la feuille, gonflant ou rétrécissant en fonction de la quantité d’eau disponible.

Les molécules de colorant dans AquaDust émettent une fluorescence à différentes longueurs d’onde, en fonction de leur proximité les unes avec les autres, et ces longueurs d’onde peuvent être mesurées avec un instrument appelé spectromètre. Lorsque l’eau est facilement disponible, les nanoparticules gonflent, écartant les colorants et créant un pic dans la longueur d’onde verte émise par les colorants. Lorsqu’il n’y a pas beaucoup d’eau, les nanoparticules rétrécissent et les colorants se rapprochent, ce qui entraîne un pic dans la longueur d’onde jaune. Ensuite, les chercheurs peuvent convertir les lectures du spectre d’émission en mesures du potentiel hydrique, le tout sans nuire à la plante.

La technique peut être appliquée à différents endroits le long de la feuille pour suivre le débit d’eau, explique Piyush Jain, co-auteur de l’étude et doctorant en génie mécanique à Cornell. «Ce que cela nous permet de faire, c’est essentiellement de modéliser le flux d’eau à travers différents tissus, de la tige aux différentes parties de la feuille», dit-il.

Les chercheurs ont concentré leurs mesures AquaDust sur la zone juste sous la surface de la feuille, où les plantes remplissent des fonctions importantes telles que l’absorption de CO2, libérant de la vapeur d’eau dans l’atmosphère et emballant les sucres créés par la photosynthèse. Pour sélectionner des cultures qui gèrent mieux l’eau, une meilleure compréhension de la biologie et du comportement de l’eau à ces points critiques sera très utile, disent les chercheurs.

En fin de compte, la technologie pourrait être utilisée dans des situations réelles, comme pour les travailleurs dans les champs ou les serres. Il pourrait même être possible un jour de pulvériser AquaDust sur un champ, puis d’utiliser une caméra multispectrale pour mesurer rapidement le potentiel hydrique de centaines de plantes.

Un chercheur utilisant AquaDust dans un champ de maïs.Photographie : Siyu Zhu/Université de Cornell

Et bien qu’il s’agisse encore d’un développement lointain, AquaDust semble être une technologie utile, déclare Irwin Goldman, professeur d’horticulture à l’Université du Wisconsin, Madison, qui n’a pas participé à l’étude. « L’utilisation de toute sorte de technologie de télédétection – dans ce cas, ils utilisent des nanocapteurs – est un énorme pas en avant », dit-il. « Mon sentiment de cette technologie est que c’est l’avenir, vraiment. »

Les sélectionneurs se sont concentrés sur le développement de cultures résistantes à la sécheresse depuis un certain temps, dit Goldman. « Depuis au moins 15 ans, la communauté des phytogénéticiens a le sentiment que nous devons incorporer la sélection pour une plus grande résilience dans nos cultures dans le cadre de nos programmes de sélection, qu’il ne suffit pas de se contenter de produire des produits à plus haut rendement ou meilleure qualité, ou pour la résistance aux maladies », dit-il. Mais, souligne-t-il, ce sera un long processus pour identifier quelles plantes résistent le mieux à la perte d’eau et quels gènes sont liés à cette résilience, avant de les associer à d’autres traits souhaitables comme une bonne nutrition et une bonne saveur. « Une fois que nous avons identifié les gènes, c’est très utile, mais cela ne nous amène pas nécessairement à la fin du projet », dit-il. « Nous devons encore trouver des combinaisons utiles.

Pour l’instant, AquaDust est principalement un outil de recherche, pas quelque chose qui est prêt à être déployé à grande échelle que les agriculteurs ou les sélectionneurs pourraient utiliser pour, disons, évaluer 1 000 plantes en une heure. D’une part, la solution injectée elle-même contient de l’eau, qui doit s’évaporer avant que quiconque puisse prendre une mesure. «Nous attendons environ une journée pour que la feuille revienne à son état naturel», explique Jain.

Les méthodes d’application et de lecture d’AquaDust devraient être affinées avant qu’il ne soit prêt pour de telles mesures à haut débit ou pour des produits commerciaux. Mais en attendant, être capable de cibler avec précision le flux d’eau dans les plantes pourrait aider les chercheurs à résoudre certains mystères. L’un d’eux, dit Stroock, est de savoir si les plantes laissent jamais les couches les plus internes de leurs feuilles, appelées mésophylle, se dessécher. Pendant des années, la sagesse conventionnelle était qu’ils l’évitaient, mais des mesures indirectes par d’autres laboratoires suggèrent maintenant que c’est une possibilité. Pouvoir tester cela directement avec AquaDust pourrait fondamentalement modifier notre compréhension de la façon dont les plantes gèrent leur eau et comment elles gèrent le stress causé par les tissus internes secs, dit-il.

« Nous pensons qu’il y a des questions très intéressantes auxquelles répondre en laboratoire qui priment sur la commercialisation », déclare Stroock. « Pour le moment, les agriculteurs de l’Iowa ne nous appellent pas pour nous dire : pouvons-nous couvrir notre champ d’AquaDust ? »

Ces agriculteurs espèrent probablement juste de la pluie. Mais, un jour, la technologie comme les nanocapteurs pourrait les aider lorsque ces espoirs s’épuisent.


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