МІКРОБИ І КАРТОПЛЯ: ЯК ШТУЧНИЙ ІНТЕЛЕКТ І ДАНІ ДНК РЕВОЛЮЦІОНІЗУЮТЬ ВИРОЩУВАННЯ КАРТОПЛІ
Картопля є основою світового сільського господарства, але одна постійна проблема ставить у глухий кут фермерів і вчених: чому генетично ідентичні рослини картоплі часто дають абсолютно різні врожаї? Проривне дослідження з Університету Утрехта та Технологічного університету Делфта в Нідерландах проливає світло на цю загадку, виявляючи, що секрет полягає в мікроскопічному світі бактерій і грибів, які живуть на насіннєвій картоплі.
Використовуючи потужність штучного інтелекту (ШІ) та аналізу ДНК мікробів, дослідники розробили передовий інструмент, який прогнозує потенціал росту картоплі, прокладаючи шлях до вищих врожаїв, здоровіших культур і більш стійких методів ведення сільського господарства з меншим використанням хімічних засобів.
КАРТОПЛЯ: ВІДКРИТТЯ МІКРОБІАЛЬНОГО КЛЮЧА ДО РОСТУ
Картопля є третьою за важливістю продовольчою культурою у світі, вирощується в 140 країнах на площі 16,5 мільйона гектарів, щорічно даючи 359 мільйонів тонн. Проте навіть у межах одного поля з генетично ідентичними рослинами деяка картопля процвітає, в той час як інша бореться, що призводить до непостійних врожаїв і стійкості.
Протягом багатьох років вчені підозрювали, що мікроби — бактерії та гриби, що живуть на поверхні насіннєвої картоплі — відіграють критичну роль у цих відмінностях. Деякі мікроби сприяють росту рослин і їхній стійкості, тоді як інші гальмують розвиток.
Тепер команда, очолювана біологом Роеландом Берендсеном з Університету Утрехта, у співпраці з Технологічним університетом Делфта та селекціонерами рослин, підтвердила цю гіпотезу за допомогою революційного підходу на основі ШІ.
Опубліковане в Nature Microbiology 27 грудня 2024 року, їхнє дослідження представляє інструмент ШІ, який аналізує дані ДНК мікробів насіннєвої картоплі та поєднує їх з аерофотознімками полів картоплі, щоб прогнозувати, як добре будуть рости рослини.
“Це ознака початку нової ери в сільському господарстві, де мікробіологія та ШІ об’єднуються для покращення агрономії,” сказав Берендсен.
Інструмент пропонує фермерам спосіб оцінити якість насіннєвої картоплі перед посадкою, оптимізуючи продуктивність культур і зменшуючи залежність від хімічних добрив і пестицидів.
ЯК ПРАЦЮЄ ІНСТРУМЕНТ ШІ
Щоб розробити цю інноваційну систему, команда дослідників зібрала тисячі зразків насіннєвої картоплі з 240 тестових полів по всіх Нідерландах. Вони проаналізували мікробний склад — зокрема, ДНК бактерій і грибів — на кожній насіннєвій картоплі. Одночасно вони використовували дрони для захоплення високоякісних зображень рослин картоплі протягом вегетаційного сезону, відстежуючи зразки росту та здоров’я рослин.
Це створило величезний набір даних, що стало значним викликом.
“Це створило величезну кількість даних,” пояснив Ян Сонг, біолог і перший автор дослідження. “Поєднуючи ці дані за допомогою ШІ, ми змогли визначити мікроби, які є найкращими предикторами росту картоплі.”
Модель ШІ виявила, що певні бактерії, такі як вид Streptomyces, значно покращують ріст картоплі, тоді як інші уповільнюють його. Вперше дослідники змогли прогнозувати якість насіннєвої картоплі, спираючись виключно на їхній мікробний склад. Ця прогностична здатність є революційною, дозволяючи фермерам обирати насіннєву картоплю з високою продуктивністю та уникати тієї, що, ймовірно, буде малопродуктивною.
КАРТОПЛЯ: ПЕРЕВАГИ ПОЗА ВИЩИМИ ВРОЖАЯМИ
Наслідки цього прориву виходять далеко за межі підвищення врожаїв картоплі. Здоровіші, більш стійкі культури означають менше невдалих зборів, менше харчових відходів і зменшену потребу в хімічних засобах, таких як пестициди та добрива. Це відповідає глобальним вимогам до сталого сільського господарства, особливо в умовах, коли фермери стикаються з викликами, пов’язаними зі зміною клімату та зростанням витрат.
Наприклад, у Європі виробники картоплі стикаються з непередбачуваною погодою та більш суворими нормами щодо використання хімікатів, що робить інновації, такі як цей інструмент ШІ, особливо актуальними.
Дослідники уявляють майбутнє, в якому фермери могли б покривати насіннєву картоплю корисними мікробами, такими як Streptomyces, щоб природно покращити ріст. Альтернативно, рослини можуть бути спроектовані так, щоб приваблювати та утримувати ці бактерії, що підвищують врожайність, ще більше зменшуючи потребу в синтетичних засобах.
“Ми могли б покривати насіннєву картоплю або насіння цими корисними мікробами,” зазначив Берендсен, “або навіть інженерувати рослини, щоб приваблювати та утримувати ідеальні мікроби.”
Такі підходи можуть трансформувати не лише вирощування картоплі, а й культивування інших культур, пропонуючи масштабоване рішення для глобальних проблем продовольчої безпеки.
КАРТОПЛЯ: КРОК ДО СТАЛОГО СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА
Екологічні переваги цього інструменту ШІ є значними. Визначаючи насіннєву картоплю з оптимальними мікробними профілями, фермери можуть максимізувати врожаї, мінімізуючи хімічні втручання. Це зменшує деградацію ґрунту, забруднення води та викиди парникових газів, пов’язані з використанням добрив і пестицидів. Інструмент також підтримує точне сільське господарство, дозволяючи фермерам приймати рішення на основі даних, які оптимізують ресурси та зменшують відходи.
Більше того, дослідження базується на попередніх дослідженнях взаємодії рослин і мікробів. Наприклад, попередні дослідження показали, що арбускулярні мікоризні гриби (AMF) та бактерії, що розчиняють фосфати (PSB), можуть покращити ріст картоплі та засвоєння поживних речовин, зменшуючи потребу в добривах на 25–50%.
Інструмент ШІ Утрехт-Делфт робить ще один крок вперед, надаючи прогностичну модель, яку можна застосовувати до посадки, пропонуючи проактивний, а не реактивний підхід до управління культурами.
ПЕРСПЕКТИВИ: МАЙБУТНЄ ШІ І МІКРОБІОЛОГІЇ В СІЛЬСЬКОМУ ГОСПОДАРСТВІ
Команда дослідників вже планує розширити свою модель ШІ, включивши більше даних для поглиблення знань про взаємодії мікробів і культур. Це може призвести до створення індивідуальних мікробних рішень для різних культур, ґрунтів і кліматів.
“Розширюючи модель ШІ ще більшою кількістю даних, ми можемо ще більше зосередитися на вивченні того, як мікроби та культури взаємодіють,” сказав Берендсен.
Такі досягнення можуть допомогти фермерам у всьому світі адаптуватися до місцевих умов, покращуючи продуктивність і стійкість.
Для фермерів, які вирощують картоплю, очевидна негайна вигода: інструмент, який прогнозує продуктивність насіння, може заощадити час, зменшити витрати та збільшити врожаї. Але довгостроковий потенціал ще більш захоплюючий. Використовуючи ШІ та мікробіологію, сільське господарство входить у нову еру, де рішення на основі даних і природи можуть вирішити деякі з найгостріших проблем у виробництві продуктів харчування.
Як влучно зазначив Берендсен, “Ми на початку революційного способу покращення сільського господарства за допомогою мікробіології та ШІ.”
ЗАКЛИК ДО ДІЇ ДЛЯ ФЕРМЕРІВ, ЯКІ ВИРОЩУЮТЬ КАРТОПЛЮ
Для фермерів, які прагнуть впровадити цю технологію, наступні кроки полягають у тому, щоб залишатися в курсі комерційних застосувань інструменту ШІ. Хоча технологія все ще перебуває на стадії дослідження, співпраця з постачальниками насіння та аграрними технологічними компаніями може незабаром вивести її на ринок.
Фермери також можуть досліджувати існуючі мікробні інокулянти, такі як ті, що містять Streptomyces або AMF, щоб експериментувати з природними стратегіями підвищення врожайності. Зв’язок з місцевими аграрними дослідницькими установами або службами розширення може надати рекомендації щодо інтеграції цих інновацій у повсякденні практики ведення сільського господарства.
У Potato News Today ми раді стежити за цією історією, поки вона розвивається. Цей прорив на основі ШІ є свідченням сили науки та технологій у трансформації вирощування картоплі, роблячи його більш продуктивним, стійким і витривалим. Що ви думаєте про цю нову еру сільського господарства на основі мікробів? Поділіться своїми думками з нами.
Можливість стежити за новинами у більш стислому форматі в телеграм каналі головна сторінка сайту