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Cómo abordar la inseguridad alimentaria: es la pregunta urgente en la mente del científico de investigación Keith Duncan. Se enfoca en plantas y cultivos, buscando métodos para ayudarles a sobrellevar el cambio climático en algunas de las áreas más afectadas del mundo. Utilizando la microscopía de rayos X, Duncan captura imágenes que nadie más en el planeta ha visto antes.
El amor de Keith Duncan por la microscopía comenzó desde temprana edad. Pero, ¿cuál fue el momento que despertó su curiosidad? Los cientos de olmos muertos que rodeaban su hogar de la infancia. “Una enfermedad fúngica los mató a todos. Simplemente los eliminaron y cortaron”, recuerda; fue la primera vez que se dio cuenta de que los árboles se enferman y mueren. Siendo hijo de un investigador médico, Duncan sabía que tenía sus primeras muestras: un montón de madera cortada con corteza desprendida e intrincados patrones debajo. Al observarlos a través del microscopio, Duncan dice que vio un material blanco y esponjoso, el hongo mortal que había arrasado con los árboles. La imagen quedó grabada en su mente. Fue la primera vez que comprendió “el impacto enorme de los microorganismos en el mundo que nos rodea”, dice. A partir de ese momento, la ciencia de las plantas se convirtió en su fascinación.
Planta, hongo y el impacto de los microorganismos en el mundo que nos rodea
Durante los últimos cinco años, Duncan se ha centrado en introducir la microscopía de rayos X a la comunidad de investigación en ciencias de las plantas a través de su trabajo en el Centro Danforth, el instituto independiente sin fines de lucro más grande del mundo en ciencias de las plantas. Utiliza esta tecnología para investigar una multitud de muestras, donde “todos los días llego al trabajo y veo algo que nadie más en el planeta ha visto antes”, dice. La mayoría de las tecnologías de imagen tienen una alta magnificación que requiere el uso de muestras pequeñas. Aunque este enfoque puede ser limitante al tratar de entender la muestra en un contexto más amplio. “Puedes tener estructuras hermosas y altamente detalladas, pero ¿dónde encaja en el panorama general?” pregunta.
Trabajando a escala global, Duncan colabora con científicos en partes del mundo donde la seguridad alimentaria es un problema urgente. A través de su trabajo en el Centro Danforth, estudia tanto cultivos de importancia económica como de seguridad alimentaria.
Su trabajo considera cómo la sequía afecta las etapas normales de desarrollo de un cultivo y su valor nutricional. Ya sea por el calor extremo, la salinidad del suelo o el impacto de los costosos fertilizantes químicos en los países de bajos ingresos. Quiere saber cómo se puede respaldar la producción de granos de plantas a medida que la Tierra sigue enfrentándose a desafíos ambientales cada vez mayores. La microscopía de rayos X es clave para entender cómo respaldar los cultivos, ya que proporciona un mapa tridimensional más detallado y preciso de la estructura.
Con el microscopio de rayos X, podemos examinar toda la estructura en múltiples escalas y aun así con una resolución muy alta.
Keith Duncan, Centro de Ciencias de las Plantas Donald Danforth.
Ciencia de las Plantas en Detalladas Tres Dimensiones
La potente tecnología de imágenes en 3D ahora hace posible visualizar cómo se relacionan entre sí estructuras detalladas. Y el proceso es mucho más accesible con el microscopio de rayos X. Muestras complicadas y delicadas, incluidos tejidos blandos y delicados como los de las plantas, pueden cargarse en el instrumento y las imágenes resultantes pueden verse en ricas y detalladas tres dimensiones, según Keith.
Normalmente, los microscopios convencionales solo permiten ver muestras complicadas como pequeños fragmentos en lugar de una imagen completa. El microscopio de rayos X permite la obtención de imágenes a múltiples escalas con solo una muestra. “Podemos observar toda la estructura, en múltiples escalas y aún con una resolución muy alta”, dice Duncan. Si es posible analizar de cerca el desarrollo de una flor, una soja, o cultivos de seguridad alimentaria como cacahuetes, teff, mijo y sorgo, su equipo puede criar plantas para sobrevivir a condiciones climáticas turbulentas.
La ciencia de las plantas es fundamental para todos en el planeta. Si quieres comer, beber, vestirte, tener medicinas o respirar, es gracias a las plantas, ya que producen oxígeno.
Keith Duncan, Centro de Ciencias de las Plantas Donald Danforth
Abordando la Inseguridad Alimentaria en un Mundo Impredecible
Al desarrollar estructuras sostenibles de plantas y cultivos, la computadora también debe ser entrenada para identificar solo la estructura que quiero ver e ignorar todo lo demás. “Necesito la ciencia computacional para extraer la biología de ese volumen”, dice Duncan. Afortunadamente, la inteligencia artificial ahora está enseñando a las computadoras cómo reconocer las características que apoyan a los científicos. Una vez entrenada, Duncan explica que la inteligencia artificial puede retroalimentar con precisión “exactamente cuánta biomasa fúngica hay dentro de la raíz e intercambiando carbono por agua y nutrientes”.
La física natural de proyectar rayos X a través de estas muestras relativamente grandes y densas causa algunos artefactos. “Con el software de aprendizaje profundo sofisticado que ZEISS ha desarrollado, podemos eliminar automáticamente ese ruido de mis datos de escaneo”, dice Duncan, “así que antes incluso de sentarme a enseñar a una computadora qué encontrar, el software de ZEISS ya lo ha limpiado y ha facilitado mucho el proceso”.
Ahora, cuando Duncan imagina estructuras complicadas y delicadas con el microscopio de rayos X, dice que puede ver con precisión cómo las semillas se unirían al cultivo. Esto ha cerrado la brecha de imagen entre algunas tecnologías existentes como la microscopía de luz, láser y electrónica con los últimos avances en inteligencia artificial. “Esto ha mejorado un cultivo que beneficia directamente a las personas: plantándolo en la tierra y cosechando proteínas para la seguridad alimentaria”, dice. Su pasión por su trabajo es evidente desde la primera palabra hasta la última: “la ciencia de las plantas es fundamental para todos en el planeta. Si quieres comer, beber, vestirte, tener medicinas o respirar, porque las plantas producen oxígeno”. Es un punto difícil de rebatir. Claramente, la ciencia de las plantas es de gran interés para todos.
Conoce más aquí: Entendiendo el potencial completo de enfoques avanzados de microscopía para investigar las interacciones entre plantas y microorganismos.
https://doi.org/10.1094/MPMI-10-22-0208-FI
Leer el libro aquí: La microscopía de rayos X permite la obtención de imágenes en 3D de alta resolución a múltiples escalas de células, tejidos y órganos vegetales.
https://doi.org/10.1093/plphys/kiab405
Link de la publicación: https://www.zeiss.com/microscopy/en/resources/insights-hub/life-sciences/tackling-food-insecurity-with-plant-fungus-microbes-and-ai-microscopy.html
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