EKG dla roślin? Nowa technologia z SGGW

Fluorymetr PlantECG – EKG roślin

Fluorymetr PlantECG to pierwsze przenośne polskie urządzenie opracowane do nieinwazyjnego pomiaru sygnałów fluorescencji chlorofilu (fluorymetr – miernik stresu), odzwierciedlających aktywność fotosystemu II (PSII) w chloroplastach roślin oraz innych organizmów fotosyntetyzujących. Umożliwia ono ultraszybką (1 sekunda) diagnostykę kondycji fizjologicznej roślin. Dzięki temu pozwala na bardzo wczesne wykrywanie objawów stresu, takich jak susza, zasolenie, niedobory składników pokarmowych czy zanieczyszczenia środowiskowe. W dodatku informuje o zmianach spowodowanych tymi stresami i innymi czynnikami, np. infekcjami, zanim staną się one widoczne gołym okiem.

– Nazwa „EKG roślin” nawiązuje do analogii z elektrokardiogramem człowieka – wyjaśnia prof. dr hab. Hazem M. Kalaji z Katedry Fizjologii Roślin Instytutu Biologii Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie. – Tak jak EKG pozwala ocenić stan zdrowia serca, tak PlantECG rejestruje „puls roślin” – ich fizjologiczne sygnały (sygnały fluorescencji chlorofilu) wynikające z procesu fotosyntezy. Jako pierwszy na świecie wprowadziłem to określenie, podkreślając biologiczne podobieństwo i możliwość interpretacji tych sygnałów jako swoiste „bicie serca” roślin.

Wyjątkowość urządzenia

PlantECG jest najprostszym i najmniejszym spośród dostępnych obecnie na świecie fluorymetrów. W odróżnieniu od klasycznych, dużych i kosztownych urządzeń wymagających specjalistycznego oprogramowania, PlantECG:

– jest w pełni mobilny i kompaktowy, zapewniając nieinwazyjne (niedestrukcyjne) pomiary;

– ultraszybka (1 sekunda) ocena stanu fizjologicznego roślin opiera się na analizie 118 punktów krzywej indukcji fluorescencji, z możliwością rejestracji nawet sto tysięcy punktów w tym krótkim czasie (100 000/s). Tak duża gęstość danych jest niezwykle istotna dla precyzyjnej identyfikacji rodzaju stresora przy wykorzystaniu metod uczenia maszynowego (machine learning). Umożliwia to także tworzenie zwrotnych systemów biologicznych (biological feed-back systems), pozwalających roślinom na samoregulację warunków wzrostu – zarówno w przestrzeniach częściowo kontrolowanych (szklarnie), jak i w pełni kontrolowanych (fitotrony, komory wzrostu).Przykładem takiego systemu był prototyp opracowany przez prof. H.M. Kalajiego w 2022 roku pod nazwą „Greenhouse Silent Disco”, zaprezentowany w muzeum Triennale w Mediolanie . Technologia ta może być również stosowana w praktyce rolniczej, np. do automatycznego sterowania systemami nawożenia mineralnego w warunkach polowych;

– posiada wbudowane czujniki tem peratury, wilgotności i ciśnienia atmosferycznego;

– wyposażony jest we wskaźnik wizualny (LED), który natychmiast sygnalizuje kondycję rośliny: zielony (dobry stan), żółty (stan pośredni), czerwony (zły stan);

– wynik pomiaru jest dostępny już po 1 sekundzie (obliczone parametry i wizualizacja graficzną na ekranie;

– może być obsługiwany zarówno przez naukowców, jak i osoby bez przygotowania specjalistycznego (rolników, studentów, architektów krajobrazu, artystów, a nawet uczniów);

– nie wymaga dostępu do Internetu, Bluetootha ani kabli – łączy się z dowolnym telefonem, tabletem czy komputerem przez WiFi;

– nie wymaga instalacji oprogramowania – posiada wbudowany system pomiaru, obliczania parametrów i generowania grafiki, a dane mogą być dostępne na darmowym serwerze.

– To jedyne urządzenie tego typu, które łączy precyzję, prostotę obsługi i wielofunkcyjność – mówi prof. dr hab. H.M. Kalaji.

Czy nasza roślina jest w dobrej kondycji?

Kondycję roślin można ocenić na podstawie sygnałów fluorescencji chlorofilu, które PlantECG rejestruje i analizuje. Jeśli roślina funkcjonuje prawidłowo, urządzenie wskazuje prawidłową aktywność fotosystemu II. Interpretację ułatwia wbudowany wskaźnik LED umieszczony z boku urządzenia:

– zielony – dobra kondycja rośliny,

– żółty – stan pośredni, pierwsze symptomy stresu,

– czerwony – zła kondycja i poważne problemy fizjologiczne.

Dzięki temu użytkownik nie musi znać znaczenia złożonych parametrów fizjologicznych – urządzenie w prosty sposób interpretuje wyniki, natychmiast sygnalizuje ewentualne zagrożenie i daje możliwość szybkiego reagowania, co pozwala zapobiegać negatywnym skutkom, szczególnie w obliczu zagrożeń środowiskowych i katastrof ekologicznych.

Jak powstał produkt?

Opracowane urządzenie jest efektem wspólnej pracy prof. dr. hab. Hazema M. Kalajiego oraz mgr. Ryszarda Grodowskiego – specjalisty w dziedzinie elektroniki i informatyki, reprezentującego sektor prywatny. Profesor H.M. Kalaji odpowiadał za stronę koncepcyjną i naukową, natomiast mgr R. Grodowski za rozwiązania techniczne i konstrukcyjne. Projekt powstał dzięki ścisłej współpracy nauki (SGGW) i sektora prywatnego.

Prezentacje i dostępność EKG roślin

– PlantECG jest obecnie w fazie wdrażania do produkcji i komercjalizacji. Został zaprezentowany publicznie m.in. podczas EXPO 2025 (Osaka, Japonia), Dni SGGW 2025 i będzie prezentowany na Festiwalu Przemiany w Centrum Nauki Kopernik (3-5 października 2025) na stanowisku SGGW pod tytułem „Przychodnia dla roślin”. Trwają prace nad wprowadzeniem urządzenia do sprzedaży, zarówno dla użytkowników profesjonalnych, jak i indywidualnych – dodaje prof. dr hab. Hazem M. Kalaji.

Konsultacja merytoryczna:

prof. dr hab. Hazem M. Kalaji
Katedra Fizjologii Roślin
Instytut Biologii SGGW