Peneliti di[{” 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.
“Mikroba-mikroba ini akan dibawa bersama benih, sehingga tidak diperlukan lagi pemupukan pada saat pertumbuhan. Hal ini juga mengurangi biaya dan memberikan lebih banyak otonomi kepada petani dan mengurangi emisi karbon yang terkait dengan pertanian,” kata Furst. “Kami pikir ini akan menjadi cara untuk menjadikan pertanian sepenuhnya regeneratif, sehingga mengembalikan kesehatan tanah sekaligus meningkatkan hasil panen dan kepadatan nutrisi tanaman.”
Furst telah mendirikan perusahaan bernama Seia Bio, yang berupaya mengkomersialkan mikroba berlapis dan mulai mengujinya di peternakan di Brasil. Di laboratoriumnya, Furst juga berupaya mengadaptasi pendekatan untuk melapisi mikroba yang dapat menangkap karbon dioksida dari atmosfer dan mengubahnya menjadi batu kapur, yang membantu meningkatkan pH tanah.
“Ini dapat membantu mengubah pH tanah untuk menstabilkannya, sekaligus menjadi cara efektif melakukan penangkapan CO2 langsung di udara,” katanya. “Saat ini, para petani mungkin menggunakan truk batu kapur untuk mengubah pH tanah, sehingga menghasilkan banyak emisi yang dapat dihasilkan oleh mikroba.”
Sensor Marabahaya untuk Tanaman
Beberapa tahun yang lalu, Michael Strano, Profesor Teknik Kimia Carbon P. Dubbs di MIT, mulai mengeksplorasi gagasan untuk menggunakan tanaman itu sendiri sebagai sensor yang dapat mengungkap kapan mereka berada dalam kesulitan. Ketika tanaman mengalami kekeringan, serangan hama, atau jenis stres lainnya, tanaman memproduksi hormon dan molekul pemberi sinyal lain untuk mempertahankan diri.
Strano, yang laboratoriumnya mengkhususkan diri dalam mengembangkan sensor kecil untuk berbagai molekul, bertanya-tanya apakah sensor tersebut dapat digunakan di dalam tanaman untuk menangkap sinyal bahaya tersebut. Untuk membuat sensornya, laboratorium Strano memanfaatkan sifat khusus tabung nano karbon berdinding tunggal, yang memancarkan cahaya neon. Dengan membungkus tabung dengan berbagai jenis polimer, sensor dapat disetel untuk mendeteksi target tertentu, mengeluarkan sinyal fluoresen ketika target ada.
Untuk digunakan pada tumbuhan, Strano dan rekan-rekannya menciptakan sensor yang dapat mendeteksi molekul pemberi sinyal seperti salisilat asam dan hidrogen peroksida. Mereka kemudian menunjukkan bahwa sensor tersebut dapat dimasukkan ke bagian bawah daun tanaman, tanpa membahayakan tanaman. Setelah tertanam di mesofil daun, sensor dapat menangkap berbagai sinyal, yang dapat dibaca dengan kamera inframerah.
Sensor-sensor ini dapat mengungkapkan, secara real-time, apakah suatu tanaman mengalami berbagai tekanan. Hingga saat ini, belum ada cara untuk mendapatkan informasi tersebut dengan cukup cepat sehingga petani dapat mengambil tindakan.
“Apa yang kami coba lakukan adalah membuat alat yang memberikan informasi kepada petani dengan sangat cepat, cukup cepat bagi mereka untuk membuat keputusan adaptif yang dapat meningkatkan hasil panen,” kata Strano. “Kita berada di tengah-tengah revolusi untuk benar-benar memahami cara tumbuhan berkomunikasi secara internal dan berkomunikasi dengan tumbuhan lain.”
Penginderaan semacam ini dapat diterapkan di ladang, yang dapat membantu petani merespons lebih cepat terhadap kekeringan dan tekanan lainnya, atau di rumah kaca, pertanian vertikal, dan jenis pertanian dalam ruangan lainnya yang menggunakan teknologi untuk bercocok tanam dalam lingkungan terkendali.
Sebagian besar pekerjaan Strano di bidang ini dilakukan dengan dukungan Departemen Pertanian AS (USDA) dan sebagai bagian dari program Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) di Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART ), dan sensor telah diterapkan dalam pengujian tanaman di pertanian dengan lingkungan terkendali di Singapura yang disebut Growy.
“Alat dasar yang sama dapat membantu mendeteksi masalah pada pertanian lahan terbuka atau pertanian dengan lingkungan terkendali,” kata Strano. “Keduanya mengalami masalah yang sama, yaitu petani terlambat mendapatkan informasi untuk mencegah hilangnya hasil.”
Mengurangi Penggunaan Pestisida
Pestisida juga merupakan pengeluaran finansial yang sangat besar bagi petani: Di seluruh dunia, petani menghabiskan sekitar $60 miliar per tahun untuk pestisida. Sebagian besar pestisida ini akhirnya terakumulasi di air dan tanah, sehingga dapat membahayakan banyak orang jenistermasuk manusia. Namun, tanpa penggunaan pestisida, petani bisa kehilangan lebih dari separuh hasil panennya.
Kripa Varanasi, seorang profesor teknik mesin di MIT, sedang mengerjakan alat yang dapat membantu petani mengukur seberapa banyak pestisida yang mencapai tanaman mereka, serta teknologi yang dapat membantu pestisida menempel pada tanaman dengan lebih efisien, mengurangi jumlah pestisida yang masuk ke dalam tanah dan air.
Varanasi, yang penelitiannya berfokus pada interaksi antara tetesan cairan dan permukaan, mulai berpikir untuk menerapkan karyanya pada pertanian lebih dari satu dekade lalu, setelah menghadiri konferensi di USDA. Di sana, ia terinspirasi untuk mulai mengembangkan cara meningkatkan efisiensi penggunaan pestisida dengan mengoptimalkan interaksi yang terjadi pada permukaan daun.
“Miliaran tetes pestisida disemprotkan ke setiap hektar tanaman, dan hanya sebagian kecil yang berhasil mencapai dan tetap mencapai target. Bagi saya, ini tampak seperti masalah yang bisa kami bantu selesaikan,” katanya.
Varanasi dan murid-muridnya mulai mengeksplorasi strategi untuk membuat tetesan pestisida lebih menempel pada daun, dibandingkan memantul. Mereka menemukan bahwa jika polimer bermuatan positif dan negatif ditambahkan, tetesan yang bermuatan berlawanan akan membentuk lapisan hidrofilik (menarik air) pada permukaan daun, yang akan membantu tetesan berikutnya menempel pada daun.
Kemudian, mereka mengembangkan teknologi yang lebih mudah digunakan, yaitu dengan menambahkan surfaktan ke dalam pestisida sebelum disemprotkan. Ketika campuran ini disemprotkan melalui nosel khusus, ia membentuk tetesan kecil yang “terselubung” dalam surfaktan. Surfaktan membantu tetesan menempel pada daun dalam beberapa milidetik, tanpa memantul.
Pada tahun 2020, Varanasi dan Wisnu Jayaprakash SM '19, PhD '22 mendirikan perusahaan bernama AgZen untuk mengkomersialkan teknologi mereka dan menyerahkannya ke tangan petani. Mereka menggabungkan ide-ide mereka untuk meningkatkan daya rekat pestisida ke dalam produk yang disebut EnhanceCoverage.
Selama pengujian produk ini, mereka menyadari bahwa tidak ada cara yang baik untuk mengukur berapa banyak tetesan yang menempel di tanaman. Hal ini mendorong mereka untuk mengembangkan produk yang dikenal sebagai RealCoverage, yang didasarkan pada visi mesin. Alat ini dapat ditempelkan pada penyemprot pestisida apa pun dan memberikan umpan balik secara real-time mengenai berapa persentase tetesan pestisida yang menempel dan menempel pada setiap daun.
RealCoverage digunakan di lahan pertanian seluas 65.000 hektar di seluruh Amerika Serikat pada tahun 2024, mulai dari kedelai di Iowa hingga kapas di Georgia. Petani yang menggunakan produk ini mampu mengurangi penggunaan pestisida sebesar 30 hingga 50 persen, dengan menggunakan data tersebut untuk mengoptimalkan pengiriman dan, dalam beberapa kasus, bahkan mengubah bahan kimia yang disemprotkan.
Ia berharap produk EnhanceCoverage yang diharapkan tersedia pada tahun 2025 dapat membantu petani semakin mengurangi penggunaan pestisida.
“Misi kami di sini adalah membantu petani menabung sekaligus membantu mereka mencapai hasil panen yang lebih baik. Kami telah menemukan cara untuk melakukan semua ini sekaligus mengurangi limbah dan jumlah bahan kimia yang kita buang ke atmosfer, tanah, dan air kita,” kata Varanasi. “Ini adalah pendekatan MIT: untuk mencari tahu apa permasalahan sebenarnya dan bagaimana menemukan solusinya. Sekarang kami memiliki sebuah alat dan saya berharap alat ini dapat diterapkan di mana saja dan semua orang dapat memperoleh manfaat darinya.”
