Выращивание картофеля по праву является одним из важнейших направлений растениеводства. Недавно ученым удалось разгадать одну картофельную загадку: почему генетически идентичные растения картофеля часто дают совершенно разную урожайность и как это изменить?
Команда исследователей Утрехтского университета и Делфтского технического университета в Нидерландах сообщает, что секрет разницы в урожайности однотипного картофеля кроется в микроскопическом мире бактерий и грибов, живущих на семенном картофеле, пишет отраслевой портал Potato News Today.
Используя возможности искусственного интеллекта (ИИ) и анализа микробной ДНК, ученые разработали передовой инструмент, который прогнозирует потенциал роста картофеля, открывая путь к более высоким урожаям, здоровым культурам и устойчивым методам ведения сельского хозяйства с меньшим количеством агрохимикатов.
Картофель является третьей по значимости продовольственной культурой в мире, выращиваемой в 140 странах на 16,5 млн гектаров, ежегодно принося 359 млн тонн урожая. Тем не менее, даже в пределах одного поля генетически идентичных растений, некоторые виды картофеля процветают, а другие испытывают трудности, что приводит к непостоянной урожайности и устойчивости. В течение многих лет ученые подозревали, что микробы - бактерии и грибы, живущие на поверхности семенного картофеля, - играют решающую роль в этих различиях. Некоторые микробы стимулируют рост и устойчивость растений, в то время как другие препятствуют развитию.
Теперь группа под руководством биолога Руланда Берендсена из Утрехтского университета в сотрудничестве с Делфтским технологическим университетом и селекционерами растений подтвердила эту гипотезу с помощью революционного подхода на основе искусственного интеллекта.
Их исследование, опубликованное в Nature Microbiology, представляет инструмент ИИ, который анализирует данные ДНК микробов семенного картофеля и объединяет их с изображениями картофельных полей с помощью дронов, чтобы предсказать, насколько хорошо будут расти растения. «Это знаменует начало новой эры в сельском хозяйстве, где микробиология и ИИ объединяются для улучшения сельского хозяйства», - говорит Берендсен. Инструмент предлагает фермерам способ оценки качества семенного картофеля перед посадкой, оптимизируя урожайность и снижая зависимость от агрохимических удобрений и пестицидов.
Для разработки новаторской системы исследовательская группа собрала тысячи образцов семенного картофеля с 240 тестовых полей по всей территории Нидерландов. Они проанализировали микробный состав - в частности, ДНК бактерий и грибов - на каждом семенном картофеле. Одновременно ученые использовали дроны для получения изображений растений картофеля с высоким разрешением в течение всего вегетационного периода, отслеживая закономерности роста и здоровье растений. Это создало огромный набор данных, что представляло собой значительную проблему, которую решили при помощи искусственного интеллекта. «Объединив эти точки данных с помощью ИИ, мы смогли точно определить микробы, которые являются лучшими предикторами роста картофеля», - говорит Ян Сон, биолог и первый автор исследования.
Модель ИИ показала, что некоторые бактерии, такие как вид Streptomyces, значительно ускоряют рост картофеля, в то время как другие его замедляют. Впервые исследователи смогли предсказать качество семенного картофеля, основываясь исключительно на его микробном составе. Эта предсказательная способность ИИ меняет правила игры, позволяя фермерам выбирать высокопроизводительный семенной картофель и избегать тех, которые, вероятно, будут недостаточно урожайными.
Последствия этого прорыва выходят далеко за рамки повышения урожайности картофеля. Более здоровые и устойчивые культуры означают меньше неурожаев, меньше пищевых отходов и снижение потребности в агрохимических веществах, таких как пестициды и удобрения. Это соответствует мировым требованиям к устойчивому сельскому хозяйству, особенно с учетом того, что фермеры сталкиваются с проблемами, связанными с изменением климата и ростом затрат на вводимые ресурсы. Например, в Европе производители картофеля сталкиваются с непредсказуемой погодой и более строгими правилами использования химикатов, что делает инновации, такие как этот инструмент ИИ, особенно своевременными.
Ученые представляют себе будущее, в котором фермеры могли бы покрывать семенной картофель полезными микробами, такими как Streptomyces, чтобы естественным образом улучшить рост. В качестве альтернативы растения можно было бы сконструировать так, чтобы они привлекали и удерживали эти повышающие урожайность бактерии, что еще больше снизило бы потребность в синтетических вложениях.
«Мы могли бы покрывать семенной картофель или семена этими полезными микробами или даже модифицировать растения для привлечения и удержания идеальных микробов. Такие подходы могли бы преобразовать не только выращивание картофеля, но и выращивание других культур, предлагая масштабируемое решение глобальных проблем продовольственной безопасности», - отметил Берендсен.
Данная научная работа основывается на предыдущих исследованиях взаимодействия растений и микробов. Например, более ранние исследования показали, что арбускулярные микоризные грибы и фосфат-растворяющие бактерии могут усиливать рост картофеля и поглощение питательных веществ, снижая потребность в удобрениях до 25-50%.
Представленный инструмент искусственного интеллекта делает еще один шаг вперед, предоставляя прогностическую модель, которую можно применять до посадки, предлагая проактивный подход к управлению урожаем.
Исследовательская группа уже планирует расширить свою модель ИИ, включив больше данных для углубления понимания взаимодействия микробов и сельскохозяйственных культур. Это может привести к созданию индивидуальных микробных решений для различных сельскохозяйственных культур, почв и климатических условий.
«Расширяя модель ИИ еще большим количеством данных, мы можем еще больше приблизиться к изучению того, как взаимодействуют микробы и сельскохозяйственные культуры», - говорит Берендсен. Такие достижения могут помочь фермерам по всему миру адаптироваться к местным условиям, повышая производительность и устойчивость.
Для фермеров, выращивающих картофель, непосредственная выгода очевидна: инструмент, который прогнозирует производительность семян, может сэкономить время, сократить расходы и повысить урожайность. Но долгосрочный потенциал еще более захватывающий. Используя ИИ и микробиологию, сельское хозяйство вступает в новую эру, где решения, основанные на данных и природе, могут решать некоторые из самых насущных проблем в производстве продуктов питания. Как отмечает Берендсен: «Мы находимся в начале революционного пути улучшения сельского хозяйства с помощью микробиологии и искусственного интеллекта».
Для производителей картофеля, желающих внедрить эту технологию, следующим шагом будет получение информации о коммерческих применениях инструмента ИИ. Хотя технология все еще находится на стадии исследования, сотрудничество с поставщиками семян и сельскохозяйственными технологическими компаниями может вскоре вывести ее на рынок.
Фермеры также могут исследовать существующие микробные инокулянты, например, содержащие Streptomyces или грибы арбускулярной микоризы, чтобы самостоятельно экспериментировать с естественными стратегиями повышения урожайности. Связь с местными сельскохозяйственными исследовательскими институтами или службами распространения знаний может предоставить рекомендации по интеграции этих инноваций в повседневную практику ведения сельского хозяйства.
Источник: Potato News Today.
Заглавное фото: Лукьянов Дмитрий, AgroXXI.ru.