В рамках Сельского хозяйства 4.0 и новых технологий, применяемых для устойчивого управления сельскохозяйственными культурами, группа исследователей Корнелльского университета разработала экспериментальный сорт генетически модифицированного томата, способного менять цвет в ответ на дефицит азота в почве задолго до появления видимых повреждений у растения.
Эта биотехнологическая инновация для раннего выявления дефицита питательных веществ будет применена к модифицированному сорту голубики, и он будет вырабатывать природный пигмент антоцианового типа, когда корневая система обнаружит критический уровень доступного азота.
В нормальных условиях растение сохранит свой характерный голубовато-зеленый цвет, но когда почва достигнет порога азотного дефицита, листья станут красноватые или пурпурные — несомненный признак того, что растение нуждается в удобрении.
Визуальная реакция активируется до появления симптомов стресса, таких как хлороз или некроз, что дает производителю время для точного вмешательства и позволяет избежать потерь урожая или качества плодов.
«Идея заключается в том, чтобы превратить растение в свой собственный датчик. Чтобы растение могло визуально сообщать о том, что происходит под землёй, пока не стало слишком поздно», — пояснил один из ведущих исследователей проекта.
Эта технология основана, среди прочего, позволит справиться с чрезмерным внесением азотных удобрений. В современном плодоводстве, особенно в интенсивных системах ягодоводства, фермеры часто вносят на 30–50% больше азота, чем необходимо, что повышает производственные затраты и оказывает значительное воздействие на окружающую среду, например, приводит к загрязнению грунтовых вод, эвтрофикации озёр и выбросам парниковых газов.
«Умная» голубика позволит адаптировать удобрения к реальным потребностям культуры, сокращая отходы и повышая эффективность использования питательных веществ. Это соответствует целям устойчивого развития, продвигаемым международными организациями и крупными экспортными цепочками, которые стремятся получить сертификаты на чистое производство и прослеживаемость воздействия на окружающую среду.
Сегодня голубика является одним из самых динамично развивающихся фруктов в международной торговле, ее ареал и объемы производства постоянно растут в Америке, Европе и Азии.
Перед такими ведущими странами, как Перу, Чили, Мексика, Марокко, Польша и Китай, стоит задача поддержания высокой урожайности без ухудшения состояния почвы или чрезмерного использования удобрений.
Внедрение живых биосенсоров может стать революцией в управлении сельскохозяйственными культурами, обеспечив как экономические, так и экологические преимущества:
- Снижение затрат на удобрение и мониторинг.
- Повышение производительности за счет сбалансированного питания и уменьшения физиологического стресса.
- Сокращение воздействия на окружающую среду, связанного с выщелачиванием нитратов.
- Простота внедрения технологий даже мелкими фермерами.
Более того, использование этих растений-индикаторов может быть распространено на другие важные питательные вещества, такие как фосфор или калий, и даже служить основой для интегрированных систем биологического оповещения о засухе или тепловом стрессе.
Традиционно дефицит азота определяется анализом листьев или почвы, а также использованием специализированных оптических датчиков. Хотя эти инструменты эффективны, они дороги, сложны в техническом плане и малодоступны для мелких и средних производителей.
В отличие от них, эти растения-индикаторы выполняют функцию недорогих живых биосенсоров. Их можно высаживать между рядами культур или на стратегически важных участках поля, где они послушат визуальными индикаторами общего уровня питательных веществ в почве. Производители, просто наблюдая за изменениями цвета, могут определять, когда и где вносить удобрения, без необходимости использования сложного оборудования.
Более того, в технологически продвинутых системах хроматический сигнал может быть обнаружен мультиспектральными камерами, установленными на дронах или тракторах, что позволяет создавать цифровые карты питания в режиме реального времени. Таким образом, «умная» голубика становится инструментом, интегрируемым с цифровыми сельскохозяйственными платформами, способствуя точному управлению, адаптируемому к любому масштабу производства.
Команда также работает над созданием мобильного приложения, которое будет соотносить цвет листьев с имеющимся уровнем азота, что позволит упростить доступ к этой технологии и сделать ее доступной для мелких производителей и семейных фермерских хозяйств.
«Цель — сделать точное земледелие более доступным, эффективным и устойчивым. Умная голубика может стать ключевым инструментом для повышения производительности и снижения воздействия на окружающую среду при выращивании фруктов», — утверждают исследователи.
Этот тип инноваций усиливает глобальную тенденцию к созданию более устойчивых и управляемых данными сельскохозяйственных систем, где биотехнологии и цифровизация объединяются для оптимизации управления ограниченным ресурсом XXI века: питательными веществами почвы.
