Assessment of the physiological status of a plant through changes in electrical parameters

Abstract

L'estrès hídric és un dels principals factors limitants de la productivitat agrícola, impactant directament en la fisiologia i el rendiment dels cultius. Aquesta recerca doctoral explora l'espectroscòpia d'impedància electroquímica (EIS) com una alternativa no invasiva i en temps real per monitorar l'estat hídric de les plantes, superant les limitacions de les tècniques convencionals que requereixen equips complexos o mostreig destructiu. L'estudi presenta el desenvolupament, la modelització teòrica i la validació experimental d'un sistema de mesura basat en EIS. Les proves es van dur a terme tant en condicions controlades de laboratori com en un entorn agrícola real, utilitzant dues espècies vegetals amb diferents vies fotosintètiques: Solanum lycopersicum (C3) i Amaranthus caudatus (C4). Els resultats van mostrar que els paràmetres elèctrics —especialment la resistència i la impedància— distingien eficaçment entre plantes ben regades i sotmeses a estrès hídric, amb una resposta més clara en Solanum lycopersicum. Aquests resultats donen suport al potencial de l'EIS com a eina escalable per a l'agricultura de precisió. La tecnologia podria integrar-se en sistemes de reg automatitzat per millorar l'eficiència en l'ús de l'aigua. S'encoratja la recerca futura per adaptar el mètode a cultius tolerants a la sequera i a una gamma més àmplia de condicions de cultiu.

El estrés hídrico es uno de los principales factores limitantes de la productividad agrícola, impactando directamente en la fisiología y el rendimiento de los cultivos. Esta investigación doctoral explora la espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) como una alternativa no invasiva y en tiempo real para monitorizar el estado hídrico de las plantas, superando las limitaciones de las técnicas convencionales que requieren equipos complejos o muestreo destructivo. El estudio presenta el desarrollo, modelización teórica y validación experimental de un sistema de medición basado en EIS. Las pruebas se realizaron tanto en condiciones controladas de laboratorio como en un entorno agrícola real, utilizando dos especies vegetales con diferentes vías fotosintéticas: Solanum lycopersicum (C3) y Amaranthus caudatus (C4). Los resultados mostraron que los parámetros eléctricos —especialmente la resistencia y la impedancia— distinguieron eficazmente entre plantas bien regadas y sometidas a estrés hídrico, observándose una respuesta más clara en Solanum lycopersicum. Estos resultados respaldan el potencial de EIS como herramienta escalable para la agricultura de precisión. La tecnología podría integrarse en sistemas de riego automatizado para mejorar la eficiencia en el uso del agua. Se anima a futuras investigaciones a adaptar el método para cultivos tolerantes a la sequía y una mayor variedad de condiciones de cultivo.

Water stress is one of the main limiting factors in agricultural productivity, directly impacting crop physiology and yield. This doctoral research explores electrochemical impedance spectroscopy (EIS) as a non-invasive and real-time alternative for monitoring plant water status, overcoming the limitations of conventional techniques that require complex equipment or destructive sampling. The study presents the development, theoretical modeling, and experimental validation of an EIS-based measurement system. Tests were conducted under both controlled laboratory conditions and real agricultural field settings, using two plant species with different photosynthetic pathways: Solanum lycopersicum (C3) and Amaranthus caudatus (C4). Results showed that electrical parameters—particularly resistance and impedance—effectively distinguished between well-watered and water-stressed plants, with Solanum lycopersicum displaying a clearer response to water deficit. These findings support the potential of EIS as a scalable tool for precision agriculture. The technology could be integrated into automated irrigation systems to improve water-use efficiency. Further research is encouraged to adapt the method for drought-tolerant crops and a wider range of growing conditions.