Microneedle Sensors for Ion Monitoring in Plants. One Step Closer to Smart Agriculture

Abstract

As global demand for food rises and agricultural systems face unprecedented stress from environmental challenges, understanding the role of ions (i.e., key nutrient components) in crop productivity has never been more critical. Unfortunately, current tools for ion analysis in plants rely on destructive sap collection that fails to capture the dynamic changes in ionic concentrations. On the other hand, noninvasive optical methods lack practicality for field applications due to their reliance on expensive equipment and complex operational procedures. Recent advancements in microneedle (MN) sensing technology have demonstrated significant potential for real-time monitoring of plants’ health by enabling the direct detection of various important biomarkers, including but not limited to ions. By offering a minimally invasive approach, MN sensors allow continuous in-planta monitoring with precise penetration into plant tissues, ensuring natural growth remains undisturbed. However, the application of MN sensors, especially for in vivo ion measurement, is still in its very early stage. Herein, we delve into the technological potential and application avenues of plant MN sensors, with a focus on tailoring sensor designs to meet the specific requirements of various plant growth environments and analytical performances for ion detection. This perspective paper also introduces the essential relevance of ion levels in plants, provides a comprehensive assessment of existing ion detection methods, and identifies key challenges associated with achieving effective in planta monitoring. Notably, we highlight the potential of MN sensors as a transformative approach for unveiling plant stress responses, optimizing crop yields, and fulfilling diverse roles that bridge the fields of precision agriculture and plant science research.

A medida que la demanda global de alimentos aumenta y los sistemas agrícolas afrontan un estrés sin precedentes debido a los desafíos ambientales, comprender el papel de los iones (es decir, componentes nutricionales clave) en la productividad de los cultivos nunca ha sido más crucial. Lamentablemente, las herramientas actuales para el análisis de iones en plantas dependen de la recolección destructiva de savia, que no logra capturar los cambios dinámicos en las concentraciones iónicas. Por otro lado, los métodos ópticos no invasivos carecen de practicidad para aplicaciones de campo debido a su dependencia de equipos costosos y procedimientos operativos complejos. Los avances recientes en la tecnología de sensores de microagujas (MA) han demostrado un notable potencial para el monitoreo en tiempo real de la salud de las plantas al permitir la detección directa de diversos biomarcadores importantes, incluidos —aunque no exclusivamente— los iones. Al ofrecer un enfoque mínimamente invasivo, los sensores de MA permiten un seguimiento continuo in planta con una penetración precisa en los tejidos vegetales, garantizando que el crecimiento natural permanezca sin perturbaciones. No obstante, la aplicación de los sensores de MA, especialmente para la medición in vivo de iones, se encuentra aún en una fase muy incipiente. En este trabajo, profundizamos en el potencial tecnológico y las vías de aplicación de los sensores de MA en plantas, con especial atención a adaptar los diseños de los sensores para satisfacer los requisitos específicos de diversos entornos de crecimiento vegetal y las prestaciones analíticas necesarias para la detección de iones. Este artículo de perspectiva también introduce la relevancia esencial de los niveles de iones en las plantas, ofrece una evaluación exhaustiva de los métodos existentes de detección de iones e identifica los principales desafíos asociados a lograr un monitoreo in planta eficaz. En particular, destacamos el potencial de los sensores de MA como un enfoque transformador para desvelar las respuestas de las plantas al estrés, optimizar los rendimientos de los cultivos y desempeñar funciones diversas que tienden puentes entre la agricultura de precisión y la investigación en ciencias vegetales.