Борьба с изменением климата с помощью жароустойчивых растений
Изменение климата создает серьезные вызовы, особенно для селекционеров растений. Интеллектуальный полевой робот и рентгеновские технологии помогают им отбирать жароустойчивые сорта растений. Сенсоры для высокотехнологичной машины были разработаны в Центре разработок Fraunhofer для рентгеновских технологий (Fraunhofer EZRT), подразделении Института интегральных схем Фраунгофера IIS.
Лета становятся жарче. Этим летом в Германии была волна жары с температурами до 40 °C. Возникшая засуха также повлияла на растения. При достаточном водоснабжении растения могут охлаждаться за счет испарения. Однако они не могут этого делать в условиях засухи. Поэтому селекционеры стремятся вывести жароустойчивые, засухоустойчивые растения, которые могут выживать с меньшим количеством воды, но при этом давать хороший урожай, требуя минимально возможного количества удобрений и пестицидов.
В этой работе селекционерам помогают исследователи Fraunhofer EZRT, где на протяжении многих лет ведутся исследования технологий для определения фенотипа растений. Это их внешний вид, который включает множество факторов: размер листьев, расположение листьев, толщину корней и урожайность. «Люди тысячи лет отбирали культуры на основе внешних характеристик, — объясняет д-р Штефан Герт, руководитель отдела AMS Центра разработок Fraunhofer для рентгеновских технологий. — Мы разрабатываем технологии для объективного измерения этих фенотипических характеристик и оптимизации селекции на основе этих данных».
Прогнозирование урожайности с помощью 3D-визуализации
Например, исследовательская группа под руководством д-ра Герта разработала полевого робота DeBiFix для сельскохозяйственных применений. Проезжая через плотные ряды колосьев пшеницы, DeBiFix непрерывно делает рентгеновские снимки растений. Одновременно он создает 3D-изображения с помощью оптической системы. Эта информация важна для селекционера — она позволяет, по сути, заглянуть внутрь колосьев и определить, даст ли выращиваемый сорт хороший урожай.
Проект по биогенному созданию ценности и умному земледелию
Важнейшая цель трансрегионального проекта Fraunhofer по умному земледелию — поддержка селекционеров. В рамках этого проекта в Триесдорфе (Бавария) запускается Центр фенотипирования растений Фраунгофера. На этой площадке д-р Герт и его коллеги намерены развивать свою экспертизу и внедрять ее в практику. Триесдорф, самый маленький город Германии с университетом, является домом для сельскохозяйственных учебных заведений и Университета прикладных наук Вайенштефан-Триесдорф, что делает его трансрегиональным центром сельского хозяйства. Fraunhofer IIS тесно сотрудничает с расположенным там Компетентностным центром цифрового сельского хозяйства.
Отбор жароустойчивых сортов растений
В лабораторной кабине для фенотипирования растений в контролируемых климатических условиях в Fraunhofer EZRT в Фюрте д-р Герт демонстрирует, как будут работать селекционеры в будущем. На узкой конвейерной ленте перед рентгеновским аппаратом аккуратными рядами стоят горшки с различными сельскохозяйственными растениями. Дверца аппарата открывается, и внутрь закатывается горшок. После закрытия дверцы горшок проходит, среди прочего, компьютерную томографию. Уже через пять минут наступает очередь следующего горшка.
«Более десяти лет назад мы начали делать рентгеновские снимки растений картофеля, чтобы получить информацию о росте клубней, — рассказывает д-р Герт. — На основе 3D-рентгеновских сканов мы можем определить вес клубней, не выкапывая их». Этот процесс используется, например, для отбора особенно жароустойчивых сортов. Для этого растения помещают в условия теплового стресса внутри лабораторной кабины. Сканы затем показывают, какие растения наиболее эффективно справляются со стрессом, формируя крепкие клубни, несмотря на жару.
Если первые компьютерные томографы могли визуализировать только толстые корни и клубни, то новые системы могут захватывать и нежную подземную корневую структуру пшеницы. «Наша новая рентгеновская установка — самая современная и мощная система для рентгенографии подземных частей растений», — говорит д-р Герт.
Исследователи Fraunhofer EZRT также проводят 3D-цифровую визуализацию надземных частей растений, таких как листья и колосья пшеницы. Эти данные можно использовать для определения не только площади поверхности листа — 3D-изображения также дают информацию о жароустойчивости растения. Поднимает ли растение листья, чтобы защититься от солнца? Сворачивает ли оно листья из-за стресса?
Использование ИИ для анализа индивидуальных фенотипов растений
Эффективность оптических систем распознавания растений Fraunhofer EZRT была наглядно продемонстрирована на испытательном поле семенной компании Strube D&S GmbH. В этом случае использовался второй прототип BlueBob — полевого робота, который самостоятельно перемещается и автоматически удаляет сорняки на полях сахарной свеклы. Двигаясь между рядами, он записывает изображения всех живых растений с помощью мультиспектральных камер.
«С помощью искусственного интеллекта анализируется фенотип каждого отдельного растения и классифицируется как сорняк или растение свеклы», — объясняет Кристиан Хюгель, руководитель технического центра исследования семян в Strube. Если BlueBob 2.0 идентифицирует сорняк, он удаляет его с земли своими мотыгами. Он удаляет сорняки как между рядами (с помощью статических инструментов), так и в рядах (с помощью подвижных инструментов). В результате удаляются почти все сорняки вокруг растений свеклы. Это означает, что использование химических гербицидов можно drastically сократить.
Одной из основных задач в новом центре в Триесдорфе будет обработка данных, полученных в ходе фенотипирования. «Наша главная цель — использовать наши технологии для поддержки малых и средних селекционеров растений», — подчеркивает д-р Герт.