La surveillance électrophysiologique des plantes est un domaine de pointe qui permet de révéler les activités vitales internes des plantes. Il enregistre et analyse les signaux électriques faibles qui apparaissent dans les plantes pour comprendre comment les plantes ressentent l'environnement, comment elles transmettent les informations et comment elles réagissent. Ce travail nous permet d'aller au-delà de l'observation à l'œil nu et d'« écouter » directement le langage électrique des plantes, fournissant ainsi un outil puissant pour l'agriculture de précision, la recherche écologique et la science végétale fondamentale.
Pourquoi les plantes produisent-elles des signaux électriques ?
Les cellules végétales sont similaires aux cellules nerveuses animales, avec des potentiels d'action et des potentiels de variation générés par le transport des ions à travers la membrane. Lorsqu'elle est exposée à des stimuli externes tels que le toucher, une blessure, des changements de lumière ou une sécheresse, la perméabilité de la membrane cellulaire change, déclenchant un flux d'ions, générant ainsi un signal électrique pouvant être mesuré. Ces signaux électriques permettent aux plantes de communiquer rapidement sur de longues distances.
Par exemple, si une feuille est mangée par un insecte, la partie endommagée générera des ondes électriques spécifiques, puis les ondes électriques seront transmises aux autres feuilles à travers des tissus tels que les faisceaux vasculaires. Les feuilles qui reçoivent le signal activeront à l’avance des mécanismes de défense, comme l’augmentation de la synthèse de produits chimiques toxiques. C'est ce système d'alerte interne qui aide les plantes à coordonner les réponses de tout leur corps pour répondre aux menaces en l'absence de système nerveux.
Comment mesurer l'activité électrophysiologique des plantes
Afin d'effectuer des mesures, il est souvent nécessaire d'utiliser des microélectrodes invasives, en insérant des électrodes extrêmement fines, telles que des microélectrodes en verre, dans des tissus spécifiques de tiges ou de feuilles de plantes, puis en plaçant une autre électrode de référence à la surface de la plante ou dans le sol, afin que le potentiel de membrane intracellulaire ou les modifications du potentiel extracellulaire puissent être enregistrées. Ce système nécessite un amplificateur à haute impédance, un équipement d'acquisition de signaux sophistiqué et un environnement de blindage électromagnétique.
Les chercheurs développent des électrodes épidermiques flexibles ou des nanocapteurs dans le but de réduire les dommages et de réaliser une surveillance à long terme. Lorsqu'elles sont appliquées sur le terrain, des électrodes de surface non invasives sont souvent utilisées, qui sont fixées sur les feuilles ou fixées aux tiges. Bien que la résolution du signal soit relativement faible, elle permet d'obtenir une surveillance continue non destructive et à long terme, ce qui est plus adapté aux scénarios agricoles.
La relation entre les signaux électriques des plantes et le stress dû à la sécheresse
Pour la surveillance électrophysiologique des plantes, le stress hydrique constitue une tendance d’application extrêmement critique et importante. Une fois que le système racinaire de la plante détecte que le sol est sec, il génère en conséquence des signaux électriques aux caractéristiques systématiques qui sont transmis vers le haut, provoquant la fermeture rapide des stomates pour réduire la transpiration de l'eau. En surveillant les changements de potentiel électrique des tiges des plantes concernées, des signaux d’alerte précoces concernant les pénuries d’eau peuvent être émis des heures, voire des jours, avant que les plantes ne présentent un flétrissement visible.
En construisant un modèle de la relation entre les caractéristiques du signal électrique et la teneur en humidité du sol, les caractéristiques du signal électrique couvrent la fréquence, l'amplitude, la vitesse de propagation, etc., et ainsi une détermination précise des besoins d'irrigation peut être obtenue. Par rapport aux capteurs d'humidité du sol traditionnels, cette méthode de surveillance qui repose sur la réponse du corps végétal peut refléter plus directement le véritable état physiologique des plantes et éviter une irrigation insuffisante ou excessive.
Comment la surveillance électrophysiologique aide l’agriculture de précision
Les données électrophysiologiques des plantes sont l’un des principaux paramètres décisionnels dans le système d’agriculture de précision. En déployant des réseaux de capteurs sur les terres agricoles pour collecter des données sur l'activité électrique des groupes de cultures en temps réel, puis en combinant cette acquisition avec les informations des capteurs environnementaux, une carte dynamique de la santé des cultures peut être construite.
Lorsque le système détecte des oscillations anormales dans les signaux électriques des cultures dans une zone spécifique, cela peut indiquer trois situations. L’un est l’infection précoce par des ravageurs et des maladies, l’autre est la carence en nutriments et le troisième est le stress hydrique. Sur la base de cette situation, les gestionnaires agricoles peuvent mettre en œuvre des actions précisément ciblées, c'est-à-dire des interventions telles que l'irrigation variable, la fertilisation ciblée ou l'application localisée de pesticides. Cela peut grandement améliorer l’efficacité de l’utilisation des ressources et réduire l’utilisation d’agents chimiques, atteignant ainsi le double objectif d’augmenter la production et de protéger l’environnement.
Quels sont les différents types de signaux électriques des installations ?
Contient de nombreux types, les principaux types incluent le potentiel d'action, le potentiel de variation et le potentiel du système. Un potentiel d’action est un signal de pointe qui est tout ou rien et peut se propager après avoir atteint un seuil. Ceci est courant chez les plantes sensibles comme le mimosa. Le potentiel de variation est un signal de gradient dont l'amplitude change avec l'intensité de la stimulation, ce qui est courant chez la plupart des plantes supérieures.
Les signaux à ondes lentes transmis sur de longues distances sont des potentiels systémiques souvent associés à des blessures systémiques ou à un stress. Différents types de signaux électriques ont différents mécanismes de génération, différents chemins de propagation et différentes significations physiologiques. La clé pour transformer la technologie de surveillance en outils de diagnostic pratiques est de décoder la grammaire de ces « langages électriques ».
Quelle est la future tendance de développement de la surveillance électrophysiologique ?
La tendance de développement à l’avenir est la miniaturisation, le sans fil et l’intelligence. Le développement des nanomatériaux a permis de créer des capteurs implantables ayant un impact minimal sur la croissance des plantes. Et en combinaison avec une transmission sans fil de faible puissance et l'existence de la technologie de l'Internet des objets, il est possible de réaliser une collecte de données sur le terrain à grande échelle et sans interruption.
Plus important encore, il est intégré à l’intelligence artificielle et utilise des algorithmes d’apprentissage automatique pour analyser des séries chronologiques électrophysiologiques massives afin de créer des modèles de diagnostic et de prévision de l’état des plantes plus précis. L'objectif ultime est de développer un système intégré convivial afin que les agriculteurs ou les chercheurs puissent connaître intuitivement les « émotions » et les besoins des cultures, tout comme consulter les prévisions météorologiques.
Avez-vous déjà essayé d’observer ou de mesurer une sorte de réaction des plantes de votre maison ? Selon vous, quel type d'impact spécifique cette technologie capable d'« écouter » directement les sons des plantes aura-t-elle à l'avenir sur notre vie quotidienne, comme le jardinage domestique ? Bienvenue à partager votre point de vue dans la zone de commentaires. Si vous trouvez cet article utile, aimez-le et partagez-le avec des amis plus intéressés.
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