Naukowcy z[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>MIT are developing innovative agricultural technologies such as stress-signaling plants, microbial fertilizers, and protective seed coatings to adapt farming to climate change and enhance food security.
With global temperatures on the rise, agricultural practices must adapt to new challenges. Climate change is expected to increase the frequency of droughts, and some land may no longer be arable. Additionally, it is becoming increasingly difficult to feed an ever-growing population without expanding the production of fertilizer and other agrochemicals, which have a large carbon footprint that is contributing to global warming.
Now, scientists across MIT are tackling these issues from a variety of angles, including the development of plants that sound an alarm when they’re under stress and making seeds more resilient to drought. These technologies, and more yet to be devised, will be essential to feed the world’s population as the climate changes.
“After water, the first thing we need is food. In terms of priority, there is water, food, and then everything else. As we are trying to find new strategies to support a world of 10 billion people, it will require us to invent new ways of making food,” says Benedetto Marelli, an associate professor of civil and environmental engineering at MIT.
Marelli is the director of one of the six missions of the recently launched Climate Project at MIT, which focuses on research areas such as decarbonizing industry and building resilient cities. Marelli directs the Wild Cards mission, which aims to identify unconventional solutions that are high-risk and high-reward.
Drawing on expertise from a breadth of fields, MIT is well-positioned to tackle the challenges posed by climate change, Marelli says. “Bringing together our strengths across disciplines, including engineering, processing at scale, biological engineering, and infrastructure engineering, along with humanities, science, and economics, presents a great opportunity.”
Protecting Seeds From Drought
Marelli, who began his career as a biomedical engineer working on regenerative medicine, is now developing ways to boost crop yields by helping seeds to survive and germinate during drought conditions, or in soil that has been depleted of nutrients. To achieve that, he has devised seed coatings, based on silk and other polymers, that can envelop and nourish seeds during the critical germination process.
In healthy soil, plants have access to nitrogen, phosphates, and other nutrients that they need, many of which are supplied by microbes that live in the soil. However, soil that has suffered from drought or overfarming often lacks these nutrients. Marelli’s idea was to coat the seeds with a polymer that can be embedded with plant-growth-promoting bacteria that “fix” nitrogen by absorbing it from the air and making it available to plants. The microbes can also make other necessary nutrients available to plants.
For the first generation of seed coatings, he embedded these microbes in coatings made of silk — a material that he had previously shown can extend the shelf life of produce, meat, and other foods. In his lab at MIT, Marelli has shown that the seed coatings can help germinating plants survive drought, ultraviolet light exposure, and high salinity.
Now, working with researchers at the Mohammed VI Polytechnic University in Morocco, he is adapting the approach to crops native to Morocco, a country that has experienced six consecutive years of drought due to a drop in rainfall linked to climate change.
For these studies, the researchers are using a biopolymer coating derived from food waste that can be easily obtained in Morocco, instead of silk.
“We’re working with local communities to extract the biopolymers, to try to have a process that works at scale so that we make materials that work in that specific environment,” Marelli says. “We may come up with an idea here at MIT within a high-resource environment, but then to work there, we need to talk with the local communities, with local stakeholders, and use their own ingenuity and try to match our solution with something that could actually be applied in the local environment.”
Microbes As Fertilizers
Whether they are experiencing drought or not, crops grow much better when synthetic fertilizers are applied. Although it’s essential to most farms, applying fertilizer is expensive and has environmental consequences. Most of the world’s fertilizer is produced using the Haber-Bosch process, which converts nitrogen and hydrogen to ammonia at high temperatures and pressures. This energy-intensive process accounts for about 1.5 percent of the world’s greenhouse gas emissions, and the transportation required to deliver it to farms around the world adds even more emissions.
Ariel Furst, the Paul M. Cook Career Development Assistant Professor of Chemical Engineering at MIT, is developing a microbial alternative to the Haber-Bosch process. Some farms have experimented with applying nitrogen-fixing bacteria directly to the roots of their crops, which has shown some success. However, the microbes are too delicate to be stored long-term or shipped anywhere, so they must be produced in a bioreactor on the farm.
To overcome those challenges, Furst has developed a way to coat the microbes with a protective shell that prevents them from being destroyed by heat or other stresses. The coating also protects microbes from damage caused by freeze-drying — a process that would make them easier to transport.
The coatings can vary in composition, but they all consist of two components. One is a metal such as iron, manganese, or zinc, and the other is a polyphenol — a type of plant-derived organic compound that includes tannins and other antioxidants. These two components self-assemble into a protective shell that encapsulates bacteria.
„Te mikroorganizmy byłyby dostarczane wraz z nasionami, co wyeliminowałoby potrzebę nawożenia w połowie okresu wzrostu. Zmniejsza także koszty i zapewnia rolnikom większą autonomię oraz zmniejsza emisję dwutlenku węgla związaną z rolnictwem” – mówi Furst. „Uważamy, że będzie to sposób na uczynienie rolnictwa całkowicie regeneracyjnym, co pozwoli przywrócić zdrowie gleby, jednocześnie zwiększając plony i zawartość składników odżywczych w uprawach”.
Furst założył firmę o nazwie Seia Bio, która pracuje nad komercjalizacją powlekanych drobnoustrojów i rozpoczęła ich testowanie na farmach w Brazylii. W swoim laboratorium Furst pracuje również nad dostosowaniem podejścia do powlekania drobnoustrojów, które mogą wychwytywać dwutlenek węgla z atmosfery i przekształcać go w wapień, co pomaga podnieść pH gleby.
„Może pomóc zmienić pH gleby w celu jej ustabilizowania, a jednocześnie być sposobem na skuteczne bezpośrednie wychwytywanie CO2 z powietrza” – mówi. „W tej chwili rolnicy mogą przewozić wapień ciężarówkami, aby zmienić pH gleby, w związku z czym powstają duże emisje, wnosząc coś, co mikroby mogą zrobić same”.
Czujniki zagrożenia dla roślin
Kilka lat temu Michael Strano, profesor inżynierii chemicznej Carbon P. Dubbs na MIT, zaczął badać pomysł wykorzystania samych roślin jako czujników, które mogłyby wykryć, kiedy znajdują się w niebezpieczeństwie. Kiedy rośliny doświadczają suszy, ataku szkodników lub innego rodzaju stresu, wytwarzają hormony i inne cząsteczki sygnalizacyjne, aby się bronić.
Strano, którego laboratorium specjalizuje się w opracowywaniu maleńkich czujników dla różnych cząsteczek, zastanawiał się, czy takie czujniki można by umieścić wewnątrz roślin w celu wychwytywania sygnałów o niebezpieczeństwie. Do stworzenia czujników laboratorium Strano wykorzystuje specjalne właściwości jednościennych nanorurek węglowych, które emitują światło fluorescencyjne. Owijając rurki różnymi rodzajami polimerów, czujniki można dostroić tak, aby wykrywały określone cele i emitowały sygnał fluorescencyjny, gdy cel jest obecny.
Do stosowania w roślinach Strano i jego współpracownicy stworzył czujniki które mogłyby wykryć cząsteczki sygnalizacyjne, takie jak salicylowy kwas i nadtlenek wodoru. Następnie wykazali, że czujniki te można umieścić w dolnej części liści roślin, nie uszkadzając roślin. Po osadzeniu w mezofilu liści czujniki mogą odbierać różne sygnały, które można odczytać za pomocą kamery na podczerwień.
Czujniki te mogą ujawnić w czasie rzeczywistym, czy roślina doświadcza różnych stresów. Do tej pory nie było sposobu na uzyskanie tych informacji na tyle szybko, aby rolnicy mogli na nich zareagować.
„Próbujemy stworzyć narzędzia, które bardzo szybko przekazują informacje rolnikom, wystarczająco szybko, aby mogli podejmować adaptacyjne decyzje, które mogą zwiększyć plony” – mówi Strano. „Jesteśmy w trakcie rewolucji polegającej na prawdziwym zrozumieniu sposobu, w jaki rośliny komunikują się wewnętrznie i komunikują się z innymi roślinami”.
Tego rodzaju czujniki można zastosować na polach, gdzie mogłyby pomóc rolnikom szybciej reagować na suszę i inne czynniki stresowe, lub w szklarniach, gospodarstwach wertykalnych i innych rodzajach gospodarstw zamkniętych, które wykorzystują technologię do uprawy roślin w kontrolowanym środowisku.
Duża część prac Strano w tej dziedzinie została przeprowadzona przy wsparciu Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych (USDA) oraz w ramach programu Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) w sojuszu Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART ), a czujniki wdrożono w testach na uprawach na farmie o kontrolowanym środowisku w Singapurze o nazwie Growy.
„Te same podstawowe rodzaje narzędzi mogą pomóc w wykrywaniu problemów w rolnictwie na otwartym polu lub w rolnictwie w kontrolowanym środowisku” – mówi Strano. „Oboje borykają się z tym samym problemem, a mianowicie tym, że rolnicy otrzymują informacje zbyt późno, aby zapobiec utracie plonów”.
Ograniczenie stosowania pestycydów
Pestycydy stanowią kolejny ogromny wydatek finansowy dla rolników: na całym świecie rolnicy wydają około 60 miliardów dolarów rocznie na pestycydy. Duża część tego pestycydu gromadzi się w wodzie i glebie, gdzie może zaszkodzić wielu osobom gatunekw tym ludzi. Jednak bez stosowania pestycydów rolnicy mogą stracić ponad połowę swoich plonów.
Kripa Varanasi, profesor inżynierii mechanicznej w MIT, pracuje nad narzędziami, które pomogą rolnikom zmierzyć ilość pestycydów docierających do ich roślin, a także technologiami, które pomogą pestycydom skuteczniej przylegać do roślin, zmniejszając ich ilość przedostającą się do gleby i woda.
Varanasi, którego badania koncentrują się na interakcjach między kropelkami cieczy a powierzchniami, zaczął myśleć o zastosowaniu swojej pracy w rolnictwie ponad dziesięć lat temu, po wzięciu udziału w konferencji w USDA. Tam zainspirował go do rozpoczęcia opracowywania sposobów poprawy efektywności stosowania pestycydów poprzez optymalizację interakcji zachodzących na powierzchni liści.
„Miliardy kropli pestycydów są opryskiwane na każdy akr upraw i tylko niewielka ich część ostatecznie dociera do celu i pozostaje tam. Wydawało mi się, że jest to problem, który możemy pomóc rozwiązać” – mówi.
Varanasi i jego uczniowie zaczęli badać strategie, dzięki którym krople pestycydów lepiej przylegają do liści, zamiast się odbijać. Odkryli, że jeśli doda się polimery z ładunkami dodatnimi i ujemnymi, przeciwnie naładowane kropelki utworzą hydrofilową (przyciągającą wodę) powłokę na powierzchni liścia, co pomoże kolejnym kropelkom przylgnąć do liścia.
Później opracowali łatwiejszą w użyciu technologię, w której do pestycydu przed opryskiem dodaje się środek powierzchniowo czynny. Kiedy ta mieszanina jest rozpylana przez specjalną dyszę, tworzy maleńkie kropelki „zamaskowane” środkiem powierzchniowo czynnym. Środek powierzchniowo czynny pomaga kropelkom przyklejać się do liści w ciągu kilku milisekund, bez odbijania się.
W 2020 roku Varanasi i Vishnu Jayaprakash SM ’19, PhD ’22 założyli firmę o nazwie AgZen skomercjalizować swoje technologie i przekazać je rolnikom. Swoje pomysły dotyczące poprawy przyczepności pestycydów włączyli do produktu o nazwie EnhanceCoverage.
Podczas testowania tego produktu zdali sobie sprawę, że nie ma dobrych sposobów zmierzenia liczby kropel pozostających na roślinie. To doprowadziło ich do opracowania produktu znanego jako RealCoverage, który opiera się na widzeniu maszynowym. Można go podłączyć do dowolnego opryskiwacza pestycydów i wyświetlać w czasie rzeczywistym informację zwrotną dotyczącą tego, jaki procent kropel pestycydów przylega i pozostaje na każdym liściu.
W 2024 r. z usługi RealCoverage korzystano na 65 000 akrów gruntów rolnych w całych Stanach Zjednoczonych, od soi w stanie Iowa po bawełnę w Gruzji. Rolnicy, którzy stosowali ten produkt, byli w stanie zmniejszyć zużycie pestycydów o 30–50 procent, wykorzystując dane do optymalizacji dostaw, a w niektórych przypadkach nawet zmieniając stosowane środki chemiczne.
Ma nadzieję, że produkt EnhanceCoverage, który ma być dostępny w 2025 r., pomoże rolnikom w dalszym ograniczaniu stosowania pestycydów.
„Naszą misją jest pomaganie rolnikom w oszczędzaniu, a jednocześnie pomaganie im w osiąganiu lepszych plonów. Znaleźliśmy sposób, aby to wszystko osiągnąć, jednocześnie ograniczając ilość odpadów i ilość chemikaliów, które wprowadzamy do atmosfery, gleby i wody” – mówi Varanasi. „To jest podejście MIT: dowiedzieć się, jakie są prawdziwe problemy i znaleźć rozwiązania. Teraz mamy narzędzie i mam nadzieję, że zostanie ono zastosowane wszędzie i każdy odniesie z niego korzyści”.
