Sistema inteligente que diagnostica enfermedades de plantas en tiempo real

Las plantas, al igual que lo humanos, tienen enfermedades. Si no son detectadas y controladas a tiempo algunas enfermedades pueden destruir cultivos resultando en grandes perdidas económicas e incluso en escasez de alimentos en algunas areas más pobres. En muchos países sobre todo en los países más desarrollados se intenta educar a los agricultores para que puedan diagnosticar algunas enfermedades pero sobre todo tienen a su disposición patólogos que les pueden ayudar en el diagnóstico de enfermedades y su tratamiento. Pero no todo el mundo puede consultar fácilmente a estos expertos. Por eso, la Universidad de las Indias Occidentales en San Agustin (en la República de Trinidad y Tobago) ha publicado a comienzos de este año 2017 su trabajo en el desarrollo de un sistema inteligente de diagnóstico de enfermedades en plantas llamado AgriDiagnose. El trabajo ha sido publicado en la revista Computers and Electronics in Agriculture dentro del proyecto AgriNETT.

AgriDiagnose es una herramienta de diagnóstico web con una aplicación móvil para que puedan utilizarla los agricultores. Los resultados obtenidos con esta herramienta son espectaculares ya que tienen una precisión del 100% entre plantas enfermas y del 95% entre plantas enfermas y sanas.

Video explicativo sobre la herramienta AgriDiagnose (activar subtítulos porque el vídeo está en inglés)

¿Cómo lo han hecho?

Para desarrollar el sistema utilizaron una tecnología para toma de decisiones basada en varios criterios.

Primero necesitaron un "diccionario" donde se recopilara toda la información de las plantas, sus enfermedades y sus características. Para los experimentos se utilizaron cuatro tipos de cultivos (yuca, tomate, cacao y chile picante) y catorce enfermedades con veinte características (como color de las manchas o edad de la planta). Para poder estudiar todas las enfermedades y compararlas se crea un "vocabulario" de características común para todas las enfermedades y plantas sanas. Para cada enfermedad se crea un modelo que contiene este vocabulario con un peso (valor) asignado a cada característica dependiendo de su importancia en esa enfermedad (por ejemplo, 5 puntos en las hojas, 70% de humedad).

Una vez se tienen todos estos datos normalizados (todos en la misma escala), se calcula el "valor de utilidad" de cada enfermedad para indicar en cada paso cual es la enfermedad más probable. Este valor es calculado usando el los valores del diccionario definido y los valores metidos por el agricultor.

Por ejemplo, si el sistema pregunta "¿Qué tipo de daño tiene la hoja?" y "¿De qué color es la mancha?" y el agricultor responde con "caída" y "roja", el sistema calculará el valor de utilidad de cada enfermedad y ordenará las enfermedades en orden de probabilidad, colocando las enfermedades mas probables al principio de la lista. De este modo el sistema seguirá haciendo preguntas al agricultor, como si fuera un experto patólogo, hasta que consiga un diagnóstico más acertado.

Conclusiones

Gracias a este sistema inteligente, los agricultores pueden acceder a un proceso de diagnóstico de sus cultivos como si estuvieran con experto humano. El proceso de diagnóstico procesa la información que los agricultores normalmente darían a un patólogo humano, la procesa y devuelve un diagnóstico en tiempo real. Este sistema puede proporcionar un diagnóstico en etapas tempranas de la enfermedad y así poder curar los cultivos a tiempo, especialmente en zonas donde el acceso a especialistas es muy complicado. Es importante destacar que, en países donde ya hay fitopatólogos, esta aplicación no los sustituirá sino que les puede servir de herramienta complementaria. Los resultados del método utilizado son muy buenos y son extensibles a todo tipo de plantas, aunque hace falta crear un diccionario de plantas, enfermedades y sus características.

El artículo completo se puede leer en este enlace.

Leer más

Cannabis: El mayor estudio científico de la historia llega a algunas conclusiones definitivas

El uso de la marihuana (Cannabis sativa) es uno de los más controvertidos del planeta. La marihuana es defendida a capa y espada por unos sectores de la población por sus propiedades medicinales, y atacada por otros sectores por su carácter de droga adictiva. De hecho, cada vez hay más países que lo están legalizando, ya sea para su uso medicinal o incluso recreativo. 

Una encuesta realizada en Estados Unidos ha mostrado que 22,5 millones de Estadounidenses mayores de 12 años han consumido cannabis el último mes (tendencia en aumento desde el año 2002 hasta el 2015). El 90 % de los usuarios lo hacían por uso recreativo, con menos del 10% para uso medicinal.

Pero lo que está claro es que es necesario realizar estudios a gran escala para aclarar los efectos sobre la salud de la marihuana.

Un estudio del “US National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine” ha recopilado más de 10.000 investigaciones realizadas desde 1999 sobre el cannabis y productos derivados de éste, para aportar luz al tema. Aunque seguro no convencerá a todos, sí que aclara muchos de los efectos de esta planta de una forma científica y rigurosa. En este riguroso estudio han llegado a casi 100 conclusiones. A modo de resumen paso a describir a continuación las más importantes por la cantidad de evidencias encontradas:

Efectos Positivos

Se han encontrado evidencias suficientes sobre el efecto positivo en:

-La reducción del dolor crónico

-Reducción de las náuseas producidas en la quimioterapia (especialmente en derivados del cannabis tomados oralmente)

-Espasmos musculares relacionados con la esclerosis múltiple (también en tratamientos orales)

Efectos negativos

Aunque se ha comprobado estos efectos positivos, se han evidenciado otros muchos efectos negativos:

-Daños y muertes accidentales

En los países que se ha legalizado su uso hay un incremento de los accidentes de coche debido al cannabis, así como las intoxicaciones de niños por dicha sustancia (2.82 veces superior que en los países que no es legal).

-Cáncer

No se han encontrado evidencias de que aumente el riesgo de cáncer que ya causa el tabaco, ni que el uso en madres durante el embarazo incremente el riesgo de cáncer en los hijos.

-Ataques al corazón, infarto o diabetes

No hay una conclusión clara sobre el tema, aunque parece que algunas evidencias sugieren que el fumar cannabis puede aumentar el riesgo de ataques al corazón.

-Enfermedades respiratorias

El comité de salud que ha hecho el informe ha encontrado evidencias de que el fumar marihuana está asociado con una mayor frecuencia de bronquitis y de empeorar los síntomas como tos crónica o producción de flema. Por otra parte, no está claro que afecte a otras enfermedades como asma o funciones de los pulmones.

-Sistema inmune

A pesar de que no hay evidencias suficientes para llegar a una conclusión clara, “evidencias limitadas” sugieren que puede tener actividad “anti-inflamatoria”.

-Enfermedad mental

Los estudios sugieren que hay grandes probabilidades que el uso del cannabis incremente el riesgo de sufrir enfermedades mentales como esquizofrenia, otras psicosis, desórdenes sociales de ansiedad y depresión. En los usuarios con un uso importante de cannabis parecen más probables las tendencias suicidas que en los no consumidores. Además en las personas con trastorno bipolar que consumen diariamente cannabis parece que se incrementan los síntomas.

-Tendencia a consumir otras drogas

El comité encontró “limitadas evidencias” de que sea una droga que inicie a otras drogas, especialmente el tabaco. Lo que si encontraron fueron moderadas evidencias que sugieren que hay un nexo de unión con el abuso de otras sustancias como alcohol, tabaco y otras drogas ilegales.

-Psicosocial

Se ha encontrado que el aprendizaje, memoria o atención se degradan inmediatamente después del consumo del cannabis. Sin embargo, se han encontrado “evidencias limitadas” de que esta degradación permanece si se detiene su consumo, así como de que afecte a la educación, y relaciones sociales. También encontraron "evidencias limitadas" de una relación de uso del cannabis con las tasas de desempleo y bajos ingresos económicos.

Conclusiones

Este estudio llega a la conclusión de que es necesario estudiar con más profundidad los puntos que no han sido aclarados totalmente. Además incide en la necesidad de facilitar por parte de las autoridades la investigación en este ámbito ya que se ponen muchas trabas burocráticas que impiden a los científicos profundizar en los efectos positivos y negativos del consumo del cannabis, así como en la investigación de medicamentos derivados de esta planta .

El estudio, que puedes ver completo en este link ha sido realizado por el Alaska Mental Health Trust Authority, Arizona Department of Health Services, California Department of Public Health, Centers for Disease Control and Prevention (CDC), CDC Foundation, U.S. Food and Drug Administration, Mat-Su Health Foundation, National Highway Traffic Safety Administration, National Institutes of Health National Cancer Institute, National Institutes of Health National Institute on Drug Abuse, Oregon Health Authority, Robert W. Woodruff Foundation, The Colorado Health Foundation, Truth Initiative y el Washington State Department of Health

Las imágenes son propias, tomadas en una investigación en el IRD, Montepellier (Francia). Todos los derechos reservados.

Leer más

El pez que se muerde la cola: la quimioterapia hace que las células envejezcan y estas células “viejas” empeoran los efectos secundarios del tratamiento

El cáncer es una enfermedad que se desarrolla por un error en nuestras células, que provoca que éstas crezcan descontroladamente produciendo un tumor. Hoy en día, el tratamiento más efectivo es la quimioterapia. Precisamente esta capacidad de crecer rápidamente es lo que hace la quimioterapia tan efectiva: el tratamiento mata las células que se dividen, sin importar de qué tipo de cáncer se trate. 

Por desgracia, la quimioterapia causa muchos efectos secundarios, como fatiga, anemia, nauseas, problemas cardíacos, caída del cabello y disminución de las defensas. Estos efectos secundarios son debidos a que la quimioterapia ataca también a muchas células "buenas", concretamente las que se dividen de forma más rápida. Estas células, cómo las epiteliales o las de la médula ósea que tienen que reproducirse para renovar la piel y producir defensas o glóbulos rojos. Puesto que aún no existe mejor tratamiento que la quimioterapia, los investigadores están tratando de encontrar las causas de los efectos secundarios para intentar disminuirlos. 

Recientemente, un nuevo estudio realizado en colaboración por investigadores en Holanda y Estados Unidos explica algunas de las causas de estos efectos secundarios y formas en las que mejorarlos. En esta investigación, ellos observaron que el tratamiento con un medicamento común en la quimioterapia llamado doxorubicina causa que algunas de las células que dejan de dividirse envejezcan, proceso llamado senescencia, causando inflamación alrededor de ellas. También descubrieron que, eliminando estas células senescentes, disminuían algunos efectos secundarios, especialmente la producción de defensas, las funciones del corazón y la fatiga.     

¿Cómo lo han hecho?

Primero, los investigadores utilizaron líneas celulares para confirmar su hipótesis. Trataron las células con cuatro medicamentos quimioterapéuticos y vieron que algunas células envejecían. Después, para ver si pasaba lo mismo en un organismo, usaron unos ratones cuyas células senescentes emiten luz para poder localizarlas. Entonces, trataron los ratones con doxorubicina y observaron que células no cancerosas se volvían senescentes. 

Figura 1. La tercera foto representa el ratón en tratamiento con la doxorubicina; se puede observar la emisión de luz de las células senescentes. En la cuarta foto, el ratón esta tratado con ganciclovir y doxorubicina: se pueden ver pocas células senescentes (foto tomada del articulo original: Demaria et al 2016)

Para comprobar si estas células senescentes podían causar los efectos secundarios de la quimioterapia, utilizaron un medicamento llamado ganciclovir, que elimina células senescentes. Después de tratar estos ratones con los dos medicamentos a la vez, descubrieron que ciertos efectos secundarios de la quimioterapia disminuían radicalmente, mejorando así la salud de los ratones. 

Conclusiones

Puesto que la quimioterapia es el único tratamiento eficaz que existe actualmente contra el cáncer, encontrar métodos para disminuir los efectos secundarios es muy importante para  mejorar la calidad de vida de los pacientes. En este estudio, los participantes han encontrado un sistema para mejorar las funciones cardiacas, la producción de defensas y la fatiga. El siguiente paso consistirá en investigar si este tratamiento funciona también en personas. ¡Les deseamos a estos investigadores mucha suerte en sus futuras investigaciones!  

El artículo completo lo podéis ver en el siguiente link:

 http://cancerdiscovery.aacrjournals.org/content/early/2016/12/15/2159-8290.CD-16-0241

Éste artículo ha sido escrito por Ainoa Figuerola Conchas, Titulada en Bioquimica, Master en Biologia Molecular y Celular. Actualmente está haciendo un doctorado en el Centro Médico Universitario de la Universidad de Ginebra (Suiza).

ainoafiguerola@gmail.com

https://www.linkedin.com/in/ainoa-figuerola-conchas

Leer más

Nanopartículas de arcilla con ARN, la nueva solución frente a los virus vegetales

Uno de los mayores problemas de la agricultura a nivel mundial son los virus. De hecho, no existe apenas ninguna solución para luchar contra los virus en las plantas. Las únicas dos soluciones que existen hoy en día es el desarrollo de variedades resistentes a virus y la lucha contra los vectores que los transmiten. Estos “vectores” digamos que son los “vehículos” que contagian los virus de una planta a otra, en la mayoría de los casos son insectos que se alimentan de las plantas. 

Es decir, los virus, que son el ser vivo más simple que existe en el planeta (por no tener, no tiene ni forma de reproducirse sin colonizar otro ser vivo) no puede moverse si no se sirven de “alguien más”. Ese “alguien” en este caso son los insectos que se alimentan de las plantas, en otros casos como el Virus del Zika, los mosquitos son su vector. Por tanto, curiosamente la forma más habitual de luchar contra virus es mediante insecticidas que eliminen estos pobres insectos cuya única culpa es estar infectados por los virus. Esto conlleva los problemas de toxicidad que traen los insecticidas para toda la fauna auxiliar, y en muchos casos para los propios humanos.

En este contexto, científicos australianos han desarrollado Nano-láminas de arcilla que han cargado con ARN, que hacen que, aplicados en la planta mediante spray, la planta lo absorba y ésta sea capaz de defenderse de los virus, sin afectar a ningún otro ser vivo.

¿Cómo lo han hecho?

Antes de explicar este complejo artículo, recordemos que es el ARN y el ARNi. El ARN (ácido ribonucleico) es el ácido nucleico que participa en la síntesis de las proteínas y realiza la función de mensajero de la información genética. Es decir, los genes en nuestro ADN pasan a ser ARN, de ahí se transforman en proteínas y éstas acaban formando todo lo que es un ser vivo (sangre, piel, huesos, hojas de plantas, etc.).

Pero resulta que esta definición general se ha complicado los últimos años. Se ha descubierto que el ARN tiene muchas más funciones que el simple paso de ADN a proteína. Además tienen muchas funciones de regulación del propio ARN, del ADN e incluso de defensa frente a virus (muchos de ellos formado esencialmente por ARN). Un ejemplo de este tipo de ARN es el ARN de interferencia (ARNi), que como su propio nombre indica se encarga de intereferir y “bloquear” otros tipos de ADN.

Sabiendo esto podemos pasar explicar el artículo publicado la semana pasada en la importante revista Nature plants. En anteriores experimentos de los últimos años se demostró que aplicando un ARN determinado a la planta, ésta era capaz de absorberlo disparando las defensas de las plantas frente a ese virus unos días. El mayor problema era su aplicación al mundo real, poder hacer que esa resistencia durar más (y resistiera las duras condiciones del campo, la lluvia, el sol, las altas temperaturas, etc.).
La solución a este problema la explican en este artículo, en un compuesto de nano láminas compuestas por un hidróxido doble laminar (LDH), es decir, láminas de arcilla muuuuuuuy pequeñas. La característica fundamental de este compuesto es que puede absorber el ARN diseñado por los investigadores y liberarlo en pequeñas dosis de forma que la resistencia dure más de un mes (lo que es viable en la práctica de la agricultura). Además comprobaron que las nanopartículas de arcillas eran biodegradables y que una vez habían cumplido su función no contaminan el medio ambiente.

Después de varias pruebas en varias especies de plantas plantas con dos virus distintos (el virus del mosaico del pepino, del inglés Cucumber Mosaic Virus (CMV) y el virus del moteado suave del pimiento (del inglés, Pepper mild mottle virus (PMMoV) comprobaron su alta eficacia con más de un mes de duración. Además en varias pruebas demostraron que no tenía toxicidad para el medio ambiente, ya que en muy poco tiempo se degradaba.

Conclusión 

Esta tecnología basada en nanopartículas embebidas con ARN se puede decir que es uno de los avances más espectaculares de la biotecnología aplicada a la agricultura en los últimos tiempos. Sus ventajas son espectaculares (tanto a nivel de eficacia como de sostenibilidad medioabiental) y aunque es previsible que aún queden unos años para verlo en nuestros campos, siempre resulta esperanzador ver cómo somos testigos del avance de la ciencia. 

Leer más

Una simple mutación en el maíz aumenta su producción y la eficacia de los fertilizantes

Durante los últimos 50 años la aplicación de los fertilizantes a los cultivos, especialmente los nitrogenados, ha hecho que se incremente de forma espectacular la producción agrícola mundial. Pero el impacto de estos fertilizantes químicos en el medio ambiente ha sido devastador. Su aplicación excesiva en los campos ha hecho que la inmensa mayoría de los fertilizantes se perdiera por las aguas subterráneas, los ríos y hasta el mar. Esto ha producido la contaminación de casi todos los hábitats del planeta, la eutrofización de las aguas, desaparición de especies e incluso la contaminación por sustancias cancerígenas del agua potable que consumimos (siendo una potencial causa de múltiples cánceres).

La comunidad científica y agronómica lleva muchos años realizando grandes esfuerzos para reducir el impacto de estos fertilizantes, buscando sustitutos, como fertilizantes biológicos  (como puedes ver en esta entrada anterior del blog) o variedades vegetales que aprovechen mejor los fertilizantes de forma que se tengan que aplicar mucha menor cantidad.

Un muy buen ejemplo de este esfuerzo es el artículo que se acaba de publicar en el último número de la revista científica Plant Biotechnology Journal en el cual describen cómo un grupo de científicos de la empresa Pioneer han conseguido mejorar la producción de una variedad de maíz mediante la mutación de un gen, que hace que se aproveche mucho mejor el nitrógeno, reduciendo así su necesidad de fertilización.

¿Cómo lo han hecho?

Se partió de un estudio en el que intentaban entender la esterilidad masculina del maíz. Realizaron un gran trabajo de secuenciación genética para ver qué genes eran los responsables de esta esterilidad.

Encontraron una variante de un gen de maíz que producía esterilidad en la parte masculina de la planta, llamado Ms44 (la planta de maíz tiene dos tipos de flores separadas, parte masculina que produce el polen, y parte femenina, que una vez polinizada producirá la mazorca). 

En estas imágenes se pueden ver detalles del proyecto, como por ejemplo las flores fértiles y estériles. O una vista al microscopio del tapete con pólen y sin pólen.

Viendo que el gen Ms44 tenía un gran potencial, estudiaron más en profundidad esta variante. Este gen era una variante del gen "normal" que simplemente se diferenciaba del original en un aminoácido (concretamente donde había una Alanina se localizaba una Treonina). Este cambio del aminoácido provocaba que una proteína de transferencia de lípidos de células del tapete (responsable de la producción del polen) dejara de funcionar, es decir, no produjera granos de polen funcionales.

Esta mutación, al no producir polen, dejaba de desviar recursos a la parte masculina, concentrándose en la parte femenina, los granos, por lo que se observó que las plantas con esta mutación producía un 9.6% más de granos, y en condiciones de reducción de fertilización de Nitrógeno aumentaba entre un 4 y un 8.5%.

La pregunta obvia sería: ¿y cómo voy a reproducir la planta para tener más semillas si los granos producidos no son fértiles? Este problema lo solucionaron diseñando una tecnología mediante Micro RNA artificiales que silencia este gen en las plantas que se usan para reproducción, por lo que así las semillas serían viables. A esta construcción le hicieron que tuviera un color rojo, por lo que el mantenedor de la línea simplemente debería sembrar los granos de color rojo, mientras que los granos amarillos no contendrían la construcción transgénica.

Conclusiones

Esta tecnología Ms44 tiene tres ventajas fundamentales:

1-Tiene casi un 10% de producción mayor.

2-Frente a otras tecnologías de esterilidad, esta mutación es estable en el tiempo y no hace falta aplicarle químicos que afecten el medio ambiente.

3-No es un transgénico, sino un mutante natural. Aunque para mantener la línea sí que hace falta una tecnología transgénica, al consumidor final no le llegaría un producto transgénico. 

Por lo tanto, este artículo ofrece una nueva forma de incrementar la producción del maíz reduciendo los costes económicos y medioambientales de la explotación agrícola, sin darle excusas a los anti-transgénicos de ponerle trabas a esta nueva tecnología. ¿Y ustedes qué opinan?

El artículo completo se puede leer en este link.

Por cierto, para evitar cualquier suspicacia quiero destacar que el escritor de este blog no tiene ninguna relación con la empresa que ha realizado el artículo.

Leer más

Demuestran que las plantas que crecen en su suelo local resisten mejor las enfermedades

Desde los inicios de la agricultura moderna, la mejora del suelo ha sido uno de los objetivos fundamentales de los investigadores y productores. Se han estudiado los compuestos que se han de aplicar al suelo para que las plantas produzcan más, mejor y más rápidamente, se ha invertido en multitud de sustancias químicas para optimizar la producción, eliminar malas hierbas, incluso se llega a producir en los famosos “cultivos sin suelo”, aportando todos los componentes básicos necesarios para la planta desde el exterior. Sin embargo, hasta hace unos años, se ha despreciado el estudio de uno de sus componentes fundamentales, sus microorganismos. Tal y como detallo en la entrada del blog:  Las bacterias beneficiosas de la rizosfera, el futuro de la agricultura, los microorganismos del suelo son vitales para la producción saludable en la agricultura. Durante los últimos años toda una industria basada en los biofertilizantes, biopesticidas y bioestimulantes compuestos por microorganismos está experimentado un verdadero boom en todo el mundo.

En esta línea, ayer se publicó en la prestigiosas revista New Phytologist un trabajo realizado por la Universidad de Helsinki (Finlandia) y la de Estocolmo (Suecia) en el que demuestran la importancia de los microorganismos del suelo en la resistencia de las plantas a enfermedades foliares. Es decir, demostraron que las plantas que crecen en el suelo en el cual están adaptadas resisten mejor las enfermedades.

¿Cómo lo han hecho?

Han partido de la teoría de que los componentes biológicos del suelo influyen en cómo se relaciona la planta con los patógenos fuera del suelo, que nunca se había demostrado en los sistemas naturales. Para ello utilizaron la planta Plantago lanceolata y su patógeno foliar Podosphaera plantaginis, un tipo de oídio. Recogieron semillas de la planta de diferentes zonas del norte de Europa, así como del suelo donde crecían, y muestras del patógeno también de cada una de las zonas muestreadas. En un invernadero crecieron las diferentes semillas en los diferentes suelos y fueron inoculadas con las diferentes cepas del patógeno. Es decir, cada planta se sembró en su suelo original y en varios que no le eran “conocidos”. Además, algunas semillas se sembraron en suelo que previamente se había esterilizado, es decir, en suelos sin ningún patógeno que les ayudara a “luchar” contra la enfermedad.

Observaron que las plantas crecían mucho más rápidamente y mejor en sus suelos originales, es decir, en aquellos en los cuales había microorganismos a los cuales estaban adaptados, y mucho más que en aquellos que se había esterilizado el suelo y no había ningún microorganismo. Además, las plantas adaptadas a su suelo mostraban un mayor resistencia a la enfermedad, menor agresividad de la enfermedad y un mayor tiempo de aparición.

Conclusiones

Estos datos resaltan la importancia de la composición de la biota de los suelos en la co-evolución de las plantas, microorganismos del suelo y patógenos foliares. Es decir, los microorganismos beneficiosos del suelo han evolucionado genéticamente para poder “ayudar” a la planta a “luchar” contra los microorganismos, o la planta “ha seleccionado” a los microorganismos del suelo que mejor le vienen para combatir la enfermedad. Este estudio además destaca una vez más el inmenso potencial, en su mayoría inexplorado, que tienen los microorganismos del suelo para encontrar herramientas para luchar contra las enfermedades de los cultivos. Por último, en el artículo destacan la importancia que puede tener el uso de semillas locales en la agricultura, como forma de luchar contra los patógenos. Como se dice en inglés “Think globally, act locally”, “Piensa globalmente, actúa localmente”.

El estudio completo lo puedes leer en este link.

Y la imagen de portada del artículo, de la planta Plantago lanceolata proviene de Frank Vincentz (Own work) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons.

Leer más