Un sensore alimentato a energia solare rileva le spore della peronospora in vigneto quasi in tempo reale

I ricercatori hanno descritto un sensore alimentato a energia solare che utilizza l’olografia digitale e l’intelligenza artificiale per rilevare quasi in tempo reale le spore aerodisperse di peronospora e oidio nei vigneti, un passo che, a loro avviso, potrebbe aiutare i produttori a effettuare meno trattamenti fungicidi senza perdere il controllo delle malattie.

Lo studio, pubblicato su Frontiers in Plant Science, si concentra su due delle minacce fungine più costose e persistenti nella viticoltura. La peronospora, causata da Plasmopara viticola, tende a diffondersi in condizioni miti e umide. L’oidio, causato da Erysiphe necator, è favorito da un clima più caldo e secco. Entrambe possono danneggiare rese e qualità dell’uva, ed entrambe vengono di norma gestite con trattamenti preventivi prima che le infezioni diventino visibili.

Questo approccio preventivo lascia i viticoltori a prendere decisioni in condizioni di incertezza. In molti vigneti, i fungicidi vengono applicati da poco dopo il germogliamento fino all’inizio dell’invaiatura, spesso in 7-12 passaggi nel corso della stagione. Di solito queste decisioni si basano sulle previsioni meteo e sui modelli di malattia. Gli autori hanno affermato che questo sistema può portare a trattamenti che in seguito appaiono inutili, ma solo dopo che il periodo di rischio è ormai passato.

Il nuovo dispositivo è pensato per aggiungere a tali decisioni un’evidenza biologica diretta. Invece di affidarsi soltanto a condizioni meteorologiche che potrebbero favorire l’infezione, misura se le spore dei due patogeni siano effettivamente presenti nell’aria e in quale quantità. L’obiettivo è fornire ai viticoltori informazioni più rapide sulla pressione della malattia prima che i sintomi compaiano su foglie o frutti.

L’articolo riporta casi di studio a Changins, in Svizzera, e a Château le Puy, in Francia, con utilizzo in campo per tre stagioni dal 2021 al 2023. Secondo gli autori, queste prime applicazioni hanno indicato “strategie promettenti” per riduzioni sostanziali dell’uso di fungicidi, mantenendo al tempo stesso un controllo efficace delle due malattie. Hanno anche avvertito che saranno necessari ulteriori casi di studio per confermare i risultati e fornire un sostegno statistico più solido.

Il sistema è realizzato come strumento da campo autonomo. L’aria entra a una portata controllata di 1,4 m3 all’ora e le particelle vengono concentrate su un disco di zaffiro rotante. Un laser illumina quindi il materiale depositato e un sensore d’immagine da 48 megapixel registra un ologramma. Un software rileva i modelli di diffrazione creati dalle particelle sul disco e un modello di intelligenza artificiale a due stadi le classifica. Gli autori hanno affermato che il dispositivo è alimentato da pannelli solari, invia le immagini tramite una connessione cellulare 4G e può funzionare per un’intera stagione senza manutenzione in campo.

Lo studio ha affermato che l’attuale limite operativo di rilevamento è di circa 2 spore per metro cubo su una finestra di acquisizione di 3 ore, sulla base di una campagna di calibrazione in campo con uno spettrometro aerosol di riferimento. Questo è importante perché le concentrazioni aerodisperse associate all’infezione possono essere basse. Nella rassegna della letteratura precedente contenuta nell’articolo, le concentrazioni di peronospora nei vigneti sono state descritte spesso come comprese tra 2 e 40 sporangî per metro cubo, con picchi più elevati in condizioni favorevoli. Gli autori hanno anche citato lavori che indicano come il rischio di infezione aumenti bruscamente con il carico di spore, con 1-5 sporangî per metro cubo corrispondenti a un rischio del 50% e 15 sporangî per metro cubo a un rischio del 90% in condizioni favorevoli.

Per l’oidio, l’articolo ha citato studi precedenti che mostrano come le concentrazioni possano variare da 2 a 100 conidi per metro cubo durante la stagione, con picchi molto più alti in condizioni ottimali, e che 5 conidi per metro cubo possano bastare per avviare le infezioni. L’articolo osserva inoltre che la peronospora si diffonde su distanze più brevi rispetto all’oidio, a volte solo di circa 50 metri, il che rende particolarmente importante un monitoraggio locale e specifico per sito.

Questa dimensione locale potrebbe essere significativa per l’industria delle bevande, in particolare per i produttori di vino. Se le misurazioni delle spore riuscissero a riflettere in modo affidabile la pressione della malattia parcella per parcella, i viticoltori potrebbero prendere decisioni di trattamento più selettive sulla base del rischio reale in ciascun appezzamento, anziché soltanto su previsioni più generali. Ciò potrebbe incidere sui costi di produzione, sui calendari dei trattamenti e potenzialmente sulla qualità dell’uva, anche se lo studio non sostiene che questi risultati siano già stati dimostrati a livello di settore.

Gli autori collocano il lavoro in un dibattito più ampio, politico e ambientale, sull’uso dei pesticidi. Sottolineano che i trattamenti fungicidi comportano costi diretti per i produttori e sollevano preoccupazioni per l’esposizione dei lavoratori, i residui sulla vegetazione, l’inquinamento di suolo e falde acquifere e gli effetti più ampi sulla biodiversità. L’articolo cita una risoluzione del Parlamento europeo del 2019 secondo cui l’80% degli Stati membri non aveva adottato misure efficaci per razionalizzare l’uso dei pesticidi.

La ricerca affronta anche una debolezza pratica dell’attuale monitoraggio delle spore. I metodi tradizionali di campionamento in campo si basano spesso su nastri adesivi o rotorod, seguiti da analisi di laboratorio mediante tecniche molecolari come LAMP o qPCR. Questi metodi possono fornire misurazioni utili, ma richiedono molto lavoro manuale e di norma impiegano da uno a tre giorni per restituire i risultati. Per un viticoltore che debba decidere se trattare prima di un evento infettivo rapido, questo ritardo può essere troppo lungo.

La tempistica è particolarmente critica per la peronospora. Gli autori hanno affermato che i prodotti di controllo per questa malattia devono essere presenti sulla superficie della pianta durante la fase infettiva del patogeno, quando gli zoospore vengono rilasciati nell’acqua superficiale nell’arco di circa 12-24 ore. Una volta che il patogeno penetra nei tessuti della pianta, il trattamento diventa meno efficace e aumenta il rischio di un focolaio.

Il sistema di intelligenza artificiale alla base del dispositivo è stato addestrato su immagini olografiche di spore raccolte in laboratorio e in campo. L’articolo descrive una coppia di reti neurali convoluzionali progettate per separare le spore bersaglio da altro materiale aerodisperso, compresi rumore, sporco, aggregati di particelle e materia biologica غير correlata. Il primo impiego in campo ha incluso anche la verifica umana di alcuni risultati per correggere occasionali classificazioni errate e migliorare nel tempo i dati di addestramento.

Gli autori affermano che il dispositivo si differenzia da molti strumenti di monitoraggio agricolo esistenti perché non deduce il rischio di malattia soltanto da indicatori indiretti come umidità, temperatura o immagini satellitari. Cerca invece di misurare direttamente nell’aria sopra la coltura l’inoculo del patogeno. In vigneto, sostengono, questo potrebbe aiutare i produttori a valutare se i trattamenti recenti abbiano ridotto il numero di spore, se gli avvisi basati sul meteo siano sostenuti dalla presenza reale del patogeno e se alcuni trattamenti fungicidi già programmati possano essere rinviati o evitati.

L’articolo afferma che una versione commerciale del prototipo è attesa a breve. Per ora, i ricercatori presentano il lavoro come un passo iniziale ma pratico verso l’uso del rilevamento in tempo reale delle spore nella viticoltura di precisione, dove le decisioni di difesa dalle malattie sono sempre più legate a dati di campo piuttosto che a calendari stagionali generali.