Maatalous
Maanviljelyn edistäminen tekoälyn ja geeniteknologian avulla – Viljelyn tulevaisuus
Uusien ruokakasvien luominen
Since the dawn of agriculture, mankind has turned wild weeds into domesticated crops, which have higher nutritional content, better taste, are easier to harvest, and have larger seeds.
Kuitenkin nykyaikainen ruokakasvien jalostus on johtanut ominaisuuksien valintaan, kuten vahvempi reagointi lannoitteisiin, torjunta-aineisiin ja kasteluun, mikä on tuottanut haavoittuvampia lajikkeita, jotka ovat riippuvaisia korkean panostuksen maatalousjärjestelmistä.
Ilmastonmuutos, maaperän eroosio, tunkeilevat lajit ja rikkaruohot ovat asettaneet voimakasta painetta näille ylisijoitetuille viljoille.
Tämä kotoutumisprosessi oli myös hidas ja “sokea”, sillä uudet ominaisuudet löydettiin satunnaisesti ja valittiin vuosikymmenten, ellei vuosisatojen, aikana.
Suurin osa maailman viljoista on peräisin muutamasta “kotoutumistapahtumasta” muutamilla maailman alueilla, jättäen paljon mahdollisia kotoutumisia vielä tekemättä.
Toistaiseksi kasvien uusien valinta- ja jalostusmenetelmien keskittyminen on ollut ominaisuuksien, kuten vesistressinsietokyvyn tai tuho- ja tautikestävyyden, lisäämisessä nykyaikaisiin viljoihin, tuloksena vaihtelevat tulokset.
Keskeinen ongelma on, että monet näistä villissä lajissa tunnistetuista toivottavista ominaisuuksista ovat monigeenisiä, eli ne muodostuvat monista geeneistä, usein kymmenistä tai jopa sadoista, mikä tekee viljeltyjen kasvien geneettisestä muokkauksesta lähes mahdotonta.
Toinen nouseva vaihtoehto on “de novo -kotoutus”. Ajatus on, että sen sijaan että otettaisiin korkean satoon nykymodernit viljat ja yritettäisiin tehdä niistä yhtä kestäviä kuin villit rikkaruohot, miksi ei ottaisi jo valmiiksi kestäviä villiä rikkaruohoja ja tekisi niistä yhtä tuottavia kuin modernit viljat?
Uudet viljat ja uudet ongelmat
Uusien ruokalähteiden luominen
The traits desirable in a cultivated crop variety tend to be less complex, often directed by just one or a handful of genes. In addition, these genetic features are generally well understood.
Thus, the de novo domestication approach has the potential to produce new types of crops that could display resistance to environmental shifts and good enough yield and characteristics as food.
Especially when you take into account new tools like CRISPR, that allow for very specific and controlled gene editing, including adding and removing a gene, or editing specific bases of an existing gene. Considering that CRISPR is now being approved for gene therapies in humans, it is likely that the legal framework for CRISPR-edited crops will open up in many countries.
Tekniset yksityiskohdat siitä, miten se voitaisiin tehdä, löytyvät tieteellisistä julkaisuista, esimerkiksi, “Future-Proofing Agriculture: De Novo Domestication for Sustainable and Resilient Crops”.
Eksyminen rikkaruohoihin
Yksi ongelma, joka syntyy rikkaruohojen muuttamisesta ruokakasveiksi, on että uudet viljat ovat luonnollisesti hyvin samankaltaisia rikkaruohojen kanssa. Artikkelissa “De novo domestication: what about the weeds?“, Kööpenhaminan yliopiston tutkijat tarkastelivat tätä kysymystä.
Siinä he myöntävät, että perinteinen GMO-lähestymistapa rikkaruohojen hallintaan (herbicidekestävyys) on kestämätön ja aiheuttaa liiallista saastumista.
Sen sijaan he ehdottavat, että robottipohjainen rikkaruohojen torjuntateknologiaa voitaisiin tehostaa geeniteknologialla, jolloin syntyisi paljon ympäristöystävällisempi rikkaruohojen hallintajärjestelmä.
Kun kehittynyt robotiikka kohtaa kehittyneen geenieditoinnin
Robotit rikkaruohojen kitkemisessä
De novo -viljoja (ja mahdollisesti myös muokattuja olemassa olevia viljalajikkeita) voitaisiin muokata niin, että niiden tunnistaminen on helppoa rikkaruohojen kitkemisroboteille.
Tämä voisi olla suuri etu maatalousroboteille, aiheesta keskustelimme artikkelissamme “Investors Should Take Note: Robotics Is Taking Over Farming”, jossa esittelimme erilaisia rikkaruohojen kitkemisrobotteja:
- Ecorobotix’s robot combines machine vision with precision spraying to reduce by up to 95% the volume of pesticide and herbicide used.
- Naio Technologies aims to remove herbicide from the field fully, with a 5-ton autonomous robot driving the field and shredding or uprooting the weeds with small blades. It uses LIDAR, GPS guidance, and machine vision to drive by itself and distinguish crops from weeds, requiring no supervision.
- Blue River Technology, a partner of the giant in farming equipment John Deere. It uses machine learning and machine vision to identify every plant in the field. So the robot can get rid of the weed but also thin out the crops, like lettuce, increasing the overall yield without human intervention.
Älykäs näkö
Tämä Blue Riverin viimeinen konevision käyttö on kasvava trendi maatalousrobottiyritysten keskuudessa, ja muutkin seuraavat samaa strategiaa, kuten Vision Robotics, Ekobot, Carbon Robotics ja Aigro.
Kaiken kaikkiaan ne hyödyntävät tekoälyn edistysaskeleita, joita käytetään myös itseohjautuvissa autoissa, toimitusroboteissa jne.
Ongelma on, että jopa ihmiset voivat vaikeuksissa erottaa joitakin rikkaruohoja viljasta. Joten, vaikka käytetäänkin edistyneintä koneoppimista ja neuroverkkoja, yksinkertainen visuaalinen tunnistus voi kamppailla kohteen oikeassa tunnistamisessa.
Tämä ongelma on vielä vakavampi de novo -kotoutusstrategioissa, joissa muokatut rikkaruohot näyttävät erittäin samankaltaisilta kuin alkuperäiset villit rikkaruohot, jopa enemmän kuin perinteiset viljat.
Teoriassa nämä ongelmat voitaisiin ratkaista kehittämällä tehokkaampia tai voimakkaampia algoritmeja. Kuitenkin kukaan ei vielä tiedä, onko tämä todella toteuttamiskelpoinen. Geneettiset muokkaukset voisivat tulla pelastajiksi.
De Novo -viljojen merkintä
Ihmisnäkökenttään verrattuna konevision avulla voidaan helposti analysoida laaja spektri sähkömagneettista säteilyä, kattaa näkyvän (380–780 nm), lähinäköisen infrapunan (780–2500 nm), keski‑infrapunan (2500–25 000 nm) ja kaukoinfrapunan (25 000–300 000 nm) alueet.
Kun nämä yhdistetään, sitä kutsutaan “hyperspektriseksi” näkökyvyksi. Tämä on jo teknologia, jota käytetään viljojen analysointiin, hyödyntäen hyperspektrikuvia droneista tai satelliiteista havaitsemaan ongelmia kuten vesistressi, tuholaiset ja taudit, maaperän laatu jne.
Lähde: Imechyperspectral
Uudet viljat ja geneettisesti muokatut kasvit voitaisiin suunnitella omaavan erilaisen hyperspektriprofiilin kuin niiden villit sukulaiset. Tämä ero voitaisiin sitten käyttää roboteissa päätöksenteossa välittömästi, mikä on rikkaruohu ja mikä haluttu vilja.
Geneettistä tekniikkaa voitaisiin myös käyttää lehtien muodon muokkaamiseen, jolloin de novo -kotoutetut viljat olisivat entistä helpommin tunnistettavissa.
Lähde: Cell
Tämän lähestymistavan kauneus on, että hyperspektriprofiilin muutos ei todennäköisesti vaikuta kasvin ympäristökykyyn. Joten se on muutos, jota todennäköisesti ei voida havaita merkityksellisellä tavalla, paitsi rikkaruohojen kitkemisrobottien avulla.
Lopuksi, hyperspektriprofiilin muutokset voidaan saavuttaa yhden geenin muokkauksella, ja ne toteutetaan jo säännöllisesti kasvitieteen laboratorioissa, joten ne eivät vaadi uutta teknologista edistystä: tanskalaiset tutkijat luettelevat vähintään 17 tunnettua geenimuokkausta, jotka saavuttavat halutut tulokset.
Paras lähestymistapa?
Kasvien bioinsinöörityö on ollut vuosien ajan keskustelun aihe. Tämän teknologian yleisin käyttö, herbicidekestävien ominaisuuksien lisääminen, ei ole lisännyt käytön suosiota, sillä se on yhdistetty lisääntyneeseen herbicideiden käyttöön, mukaan lukien mahdollisesti syöpää aiheuttava RoundUp.
Samaan aikaan lähes kaikki viljellyt kasvit ovat geneettisesti voimakkaasti muokattuja villien esi-isien suhteen; ainoa ero on, että nämä erot saavutettiin satunnaisten mutaatioiden, ei suunnattujen, avulla.
Herbicidekestävien GMO:iden kanssa havaittu ongelma on herbicidekestävien rikkaruohojen leviäminen. Samankaltaisia ongelmia voi syntyä myös hyperspektriprofiilia muokatuissa viljoissa.
Tämän ei kuitenkaan tulisi häiritä de novo -kotoutuksen lupausta.
Tämä lähestymistapa voisi luoda uusia ruokakasveja, jotka ovat kestävämpiä kuivuudelle, suolaisuudelle, helleaaltoille, taudeille ja tuholaisille.
Se voisi myös mahdollistaa uusien peruselintarvikkeiden (kuten vehnä ja riisi) luomisen, jotka eivät ole vuosittaisia vaan monivuotisia, kasvavat uudelleen joka vuosi, sitovat hiiltä ja rajoittavat maaperän eroosiota, kuten esimerkiksi African wild rice tai newly bred perennial hybrid grain Kernza®.
Lähde: Frontiers
Innovatiiviset maatalousyritykset
1. Deere & Company
(DE )
Tämä pörssiyhtiö on tunnettu perinteisestä maatalouskoneistostaan. Se on myös johtava edistyneimmän maatalouskoneistuksen alalla, hyödyntäen teknologioita kuten tekoäly, IoT, robotit, koneoppiminen, big data jne., tehdäkseen dataan perustuvia päätöksiä.
Lähde: Deere
Kuten yllä mainittiin, Deere tekee myös yhteistyötä startupien, kuten Blue River Technology, kanssa, käyttäen konevision tunnistaakseen jokaisen kasvin pellolla.
Siksi on todennäköistä, että autonomiset traktorit/robotit ja konevision, mahdollisesti sovellettuna de novo -kotoutettuihin viljoihin, tulevat olemaan John Deere:n tulevaisuus, integroiden nämä teknologiat saumattomasti satelliittikuvantamiseen ja muihin tekoälypohjaisiin ratkaisuihin.
3. Bayer Crop Science (BAYRY)
Bayer Crop Sciences, osa Bayer Globalia (myös lääkeyritys), keskittyy innovaatioihin siementen, ominaisuuksien ja kasvin suojelun ympärillä.
Bayerin innovaatiot ovat auttaneet sen biotekniikan tutkijoita tekemään kohdennettuja parannuksia kasvien DNA:ssa.
Monsantoon yhdistymisensä jälkeen se on myös johtava GMO-viljojen ja rikkaruohojen hallinnan alalla. Tämä yhdistyminen toi mukanaan erittäin kalliita RoundUp-kantoja, jotka saivat yhtiön osakkeen romahtamaan yhdistymisen jälkeisinä vuosina.
Se hallitsee suurinta osaa perinteisestä GMO-siemenmarkkinasta ja työskentelee myös CRISPR:n hyödyntämisen parissa seuraavan sukupolven siemenille maissille, soijalle, vehnälle jne.
Bayerin mukaan kasvin suojelun hyödyt ovat valtavat. Suojelumekanismi turvaa noin 30 % maailman maataloussadon tuotannosta, mikä vastaa 550 miljoonaa tonnia ruokaa, joka voisi ruokkia yli 2 miljardia ihmistä.
Lähde: Bayer
Bayer siirtyy perinteisistä GMO:ista yhteistyön kautta Gingko Bioworks (DNA) kanssa, joka on yksi suurimmista synteettisen biologian yrityksistä. Yhteistyö keskittyy kehittämään biologisia vaihtoehtoja kemiallisille lannoitteille geenieditoinnin avulla mikro-organismeissa.
Se on johtava siemenvariaatioiden ja kasvien geenieditoinnin alalla, yli 500 uutta viljalajiketta putkessa (ja 250 uutta viljarekisteröintiä vuonna 2022).
Yritys on myös johtava teknologian integroinnissa maatalouteen. Esimerkiksi Bayer on solminut kumppanuuden Microsoftin kanssa yhdistääkseen teknologiajättiläisen Azur-datanhallintajärjestelmän Bayerin asiantuntemukseen satelliittien, kenttäsensorien, dronejen, kenttälaitteiden ja maaperäsensorien datan hyödyntämisessä luodakseen todella moderneja ja yhteydessä olevia maatiloja.
Lähde: Bayer
Kiitos sen johtajuuden GMO:issa (perinteinen ja kehittynyt geenieditointi), kasvilajikkeiden valinnassa ja big datan integroinnissa maatalouteen, Bayer olisi luonnollinen ehdokas tukemaan de novo -kotoutettujen viljojen luomisprosessia sekä maatalousrobottien hyperspektristä rikkaruohojen havaitsemista.
