CropQuant: автоматизированная система для анализа урожая в полевых условиях

Ученые из The Genome Analysis Centre (TGAC) и John Innes Centre (JIC) получили грант от Norwich Research Park Translational fund на разработку CropQuant — компьютеризированной полевой рабочей станции для мониторинга сельскохозяйственных культур в рамках точного земледелия.

CropQuant использует одноплатные компьютеры Raspberry Pi для управления полевыми камерами, которые захватывают и обрабатывают изображения роста культур. Углубленный анализ затем проводится на высокопроизводительных компьютерах (HPC) TGAC, что позволяет ученым связать данные об окружающей среде с ростом и развитием растений для снижения затрат на сельское хозяйство.

Повышение температуры, засуха, усвоение азота, болезни растений и полегание посевов — основные угрозы для мирового производства сельскохозяйственных культур. Хотя опытные селекционеры или фермеры могут выявить некоторые проблемы на ранних стадиях, визуальные наблюдения человека дороги, трудоемки и иногда субъективны.

Современные технологии секвенирования ДНК сделали сборку геномов культур реальностью, однако эти достижения ограничены низкой пропускной способностью и неточностью полевого фенотипирования. Для того чтобы помочь аграриям (селекционерам, исследователям и фермерам) повысить урожайность с помощью полевых методов фенотипирования, была внедрена автоматизированная феномика — измерение феномов, физических и биохимических признаков урожайности организмов, по мере их изменения в ответ на генетические мутации и влияние окружающей среды.

Как решение для полевой феномики, изобретенное доктором Цзи Чжоу (TGAC-JIC) и доктором Саймоном Гриффитсом (JIC), устройство CropQuant непрерывно отслеживает рост культур для количественной оценки структурных признаков. Это позволяет сравнивать ДНК растений для раннего выявления типичных генетических признаков, таких как устойчивость к засухе, жаре, болезням и питательность, что снижает потенциальные затраты.

В настоящее время система используется в полевом испытании пшеницы в Norwich Research Park. CropQuant может автоматизировать захват данных о росте растений и количественно оценивать адаптацию к засухе и изменение цвета в течение вегетационного периода, используя изображения и статистические результаты с рабочей станции.

"Индустрия Agri-Tech указывает, что развивающийся рынок полевой феномики требует экономичных и надежных устройств для фенотипирования, которые могут автоматизировать измерения роста культур и извлекать ключевые данные о признаках урожайности в реалистичных полевых условиях", — сказал доктор Цзи Чжоу, руководитель проекта по феномике в TGAC. — "CropQuant предоставит доступное решение для предотвращения потерь урожая, способствуя продовольственной безопасности, а также промышленным и академическим целям".

CropQuant вместе со специальным высокопроизводительным аналитическим конвейером превосходит существующие решения для фенотипирования культур по стоимости, мобильности и обслуживанию. С экологической точки зрения, для помощи точному земледелию, CropQuant мог бы помочь фермерам и селекционерам контролировать применение химикатов на конкретных участках, идентифицированных рабочими станциями, — защищая качество окружающей земли и воды.

Для надежной количественной оценки крупных фенотипических признаков культур доктор Цзи Чжоу разрабатывает новые алгоритмы для проведения анализа данных непосредственно в поле с помощью CropQuant. Эта функция будет особенно полезна селекционерам или производителям для ускорения процесса отбора растений. Команда TGAC/JIC в настоящее время работает с промышленными партнерами, чтобы протестировать CropQuant и оценить интерес целевых бенефициаров.

CropQuant также может использоваться в крупных программах по улучшению культур, проводимых ведущими биотехнологическими компаниями, сельскохозяйственными исследовательскими институтами, страховыми компаниями и правительствами, ответственными за предотвращение потерь урожая.

"Мы не выявили коммерциализированного устройства, сопоставимого с CropQuant, ни в промышленности, ни в академической среде", — добавил доктор Чжоу. — "Некоторые исследовательские группы размещали цифровые камеры в поле для непрерывной съемки культур. Однако из-за конструктивных ограничений эти полевые устройства могли только получать изображения и не обладали вычислительными возможностями. Следовательно, они ограничены в компьютерном управлении и количественной оценке культур в полевых условиях, что не может быть легко улучшено для автоматизированного фенотипирования и точного земледелия. Устройство CropQuant имеет реальный потенциал для функционирования в качестве сервиса для сельхозпроизводителей и принесет пользу практике точного земледелия в регионе Восточная Англия".