एआई और आनुवंशिक इंजीनियरिंग के साथ कृषि को आगे बढ़ाना – खेती का भविष्य

नए खाद्य फसलों का निर्माण

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.

हालांकि, आधुनिक खाद्य फसल प्रजनन ने उर्वरक, कीटनाशक और सिंचाई के प्रति अधिक प्रतिक्रिया जैसे लक्षणों के चयन को जन्म दिया है, जिससे अधिक नाजुक किस्में उत्पन्न हुई हैं जो उच्च-इनपुट कृषि प्रणालियों पर निर्भर करती हैं।

जलवायु परिवर्तन, मिट्टी का क्षरण, आक्रमणकारी प्रजातियाँ और खरपतवार ने इन अत्यधिक चयनित फसलों पर भारी दबाव डाला है।

यह पालतूकरण प्रक्रिया भी धीमी और “अंधी” थी, जहाँ नई विशेषताओं को दशकों, यहाँ तक कि सदियों तक यादृच्छिक रूप से खोजा और चयन किया जाता था।

विश्व की अधिकांश फसलें कुछ क्षेत्रों में हुई कुछ “पालतूकरण घटनाओं” से आती हैं, जिससे अभी भी कई संभावित पालतूकरण कार्य शेष हैं।

स्रोत: International Journal of Molecular Sciences

वर्तमान में, कृषि कंपनियों द्वारा फसलों की नई चयन और प्रजनन प्रक्रियाएँ आधुनिक फसलों में जल-तनाव प्रतिरोध या कीट और रोग प्रतिरोध जैसी विशेषताएँ जोड़ने पर केंद्रित रही हैं, जिसके परिणाम मिश्रित रहे हैं।

मुख्य समस्या यह है कि जंगली प्रजातियों में पहचानी गई कई वांछनीय विशेषताएँ बहु-जननिक होती हैं, अर्थात् कई जीनों द्वारा निर्मित, अक्सर दर्जनों या सैकड़ों जीनों से, जिससे पाली हुई फसलों का आनुवंशिक संशोधन लगभग असंभव हो जाता है।

एक अन्य विकल्प उभर रहा है, जिसे “डि नोवो पालतूकरण” कहा जाता है। विचार यह है कि उच्च-उपज वाली आधुनिक फसलों को लेकर उन्हें जंगली खरपतवारों जितना प्रतिरोधी बनाने की कोशिश करने के बजाय, पहले से ही प्रतिरोधी जंगली खरपतवारों को लेकर उन्हें आधुनिक फसलों जितना उत्पादक बनाया जाए।

नई फसलें और नई समस्याएँ

नए खाद्य स्रोतों का निर्माण

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.

इसलिए, डि नोवो पालतूकरण दृष्टिकोण नई प्रकार की फसलों को उत्पन्न करने की क्षमता रखता है, जो पर्यावरणीय बदलावों के प्रति प्रतिरोधी हों और पर्याप्त उपज तथा खाद्य गुण प्रदान करें।

विशेषकर जब आप CRISPR जैसे नए उपकरणों को ध्यान में रखें, जो बहुत विशिष्ट और नियंत्रित जीन संपादन की अनुमति देते हैं, जिसमें जीन जोड़ना या हटाना, या मौजूदा जीन के विशिष्ट बेस को संपादित करना शामिल है। चूँकि CRISPR अब मानव जीन थेरेपी के लिए अनुमोदित हो रहा है, यह संभावना है कि कई देशों में CRISPR-सम्पादित फसलों के लिए कानूनी ढांचा खुल जाएगा।

स्रोत: International Journal of Molecular Sciences

The technical details of how it could be done can be found in scientific publications, for example, “भविष्य-प्रूफिंग एग्रीकल्चर: स्थायी और लचीली फसलों के लिए डि नोवो पालतूकरण”.

खरपतवारों में खो जाना

खरपतवारों को खाद्य फसलों में बदलने से एक समस्या उत्पन्न होती है कि, स्पष्ट रूप से, नई फसलें खरपतवारों के बहुत समान होंगी। लेख “डि नोवो पालतूकरण: खरपतवारों के बारे में क्या?” में कोपेनहेगन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इस प्रश्न की जांच की।

इसमें उन्होंने स्वीकार किया कि खरपतवार प्रबंधन के लिए पारंपरिक जीएमओ दृष्टिकोण (हर्बिसाइड प्रतिरोध) अस्थिर है और बहुत अधिक प्रदूषण करता है।

इसके बजाय, उन्होंने प्रस्ताव रखा कि रोबोटिक खरपतवार हटाने की तकनीक को आनुवंशिक इंजीनियरिंग के साथ बढ़ाया जा सकता है, जिससे एक अधिक पर्यावरण‑मित्र खरपतवार प्रबंधन प्रणाली बन सके।

जब उन्नत रोबोटिक्स मिलते हैं उन्नत जीन संपादन से

रोबोट फ़ील्ड में खरपतवार हटाते हैं

The de novo crops (and potentially, modified existing crop varieties as well) could be modified to make their identification easy for weeding robots.

This could be a boon for farming robots, a topic we discussed in our article “निवेशकों को ध्यान देना चाहिए: रोबोटिक्स खेती पर हावी हो रहा है”, where we presented a variety of weeding robots:

• Ecorobotix का रोबोट मशीन विज़न को सटीक स्प्रेइंग के साथ मिलाता है, जिससे उपयोग किए जाने वाले कीटनाशक और हर्बिसाइड की मात्रा में 95% तक कमी आती है।
• Naio Technologies का लक्ष्य खेत से हर्बिसाइड को पूरी तरह हटाना है, जिसमें 5‑टन का स्वायत्त रोबोट खेत में चलता है और छोटे ब्लेड से खरपतवार को कतरता या उखाड़ देता है। यह LIDAR, GPS मार्गदर्शन और मशीन विज़न का उपयोग करके स्वयं चलाता है और फसल को खरपतवार से अलग करता है, बिना किसी निगरानी के।
• Blue River Technology, जो कृषि उपकरणों के दिग्गज John Deere का साझेदार है। यह मशीन लर्निंग और मशीन विज़न का उपयोग करके खेत में प्रत्येक पौधे की पहचान करता है। इस प्रकार रोबोट न केवल खरपतवार को हटाता है बल्कि फसल, जैसे लेट्यूस, को भी पतला कर सकता है, जिससे कुल उपज मानव हस्तक्षेप के बिना बढ़ती है।

बुद्धिमान विज़न

This last use of machine vision by Blue River is a growing trend among farming robotic companies, with others pursuing the same strategy, like Vision Robotics, Ekobot, Carbon Robotics, and Aigro.

समग्र रूप से, वे AI में हुई प्रगति का उपयोग करते हैं, जो स्वचालित कारों, डिलीवरी रोबोट आदि में भी लागू होती है।

समस्या यह है कि यहाँ तक कि मनुष्यों को भी कुछ खरपतवारों को फसलों से अलग करने में कठिनाई हो सकती है। इसलिए, सबसे उन्नत मशीन लर्निंग और न्यूरल नेटवर्क के साथ भी, साधारण दृश्य पहचान लक्ष्य को सही ढंग से पहचानने में संघर्ष कर सकती है।

डि नोवो पालतूकरण रणनीतियों के लिए यह समस्या और अधिक गंभीर होगी, जहाँ संशोधित खरपतवार मूल जंगली खरपतवारों के बहुत समान दिखेंगे, यहाँ तक कि पारंपरिक फसलों से भी अधिक।

सिद्धांत रूप में, इन समस्याओं को अधिक कुशल या शक्तिशाली एल्गोरिदम विकसित करके हल किया जा सकता है। हालांकि, अभी तक कोई नहीं जानता कि यह वास्तव में संभव है या नहीं। आनुवंशिक संशोधन मददगार हो सकते हैं।

डि नोवो फसलों की टैगिंग

Contrary to the human eye, machine vision can easily analyze a wide range of the electromagnetic spectrum, spanning the visible (380–780 nm), near-infrared (780–2500 nm), mid-infrared (2500–25 000 nm), and far-infrared (25 000–300 000 nm) ranges.

When combined together, this is known as “hyperspectral” vision. This is already a technology used for analyzing crops, using hyperspectral images from drones or satellites to detect problems like water stress, pests and diseases, soil quality, etc.

स्रोत: Imechyperspectral

नई फसलें और आनुवंशिक रूप से संपादित पौधों को उनके जंगली समकक्षों से अलग हाइपरस्पेक्ट्रल प्रोफ़ाइल देने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है। यह अंतर फिर रोबोटों द्वारा तुरंत यह तय करने में उपयोग किया जा सकता है कि कौन सा खरपतवार है और कौन सी वांछित फसल।

आनुवंशिक इंजीनियरिंग का उपयोग पत्तियों के आकार को बदलने के लिए भी किया जा सकता है, जिससे डि नोवो पालतूकरण वाली फसलें पहचानने में और भी आसान हो जाएँगी।

स्रोत: Cell

इस दृष्टिकोण की खूबी यह है कि हाइपरस्पेक्ट्रल प्रोफ़ाइल में परिवर्तन पौधे की पर्यावरणीय फिटनेस को बदलने की संभावना नहीं रखता। इसलिए यह परिवर्तन केवल खरपतवार हटाने वाले रोबोटों द्वारा ही सार्थक रूप से पता लगाया जा सकेगा।

अंत में, हाइपरस्पेक्ट्रल प्रोफ़ाइल में परिवर्तन मोनो‑जीन संशोधन से प्राप्त किए जा सकते हैं, और यह पहले से ही पौधा जीवविज्ञान प्रयोगशालाओं में नियमित रूप से किया जाता है, इसलिए इसके लिए नई तकनीकी प्रगति की आवश्यकता नहीं है: डेनिश शोधकर्ताओं ने कम से कम 17 ज्ञात जीन संशोधनों की सूची दी है जो वांछित परिणाम प्राप्त करने में सक्षम हैं।

सबसे अच्छा दृष्टिकोण?

फसलों का बायोइंजीनियरिंग कई वर्षों से बहस का विषय रहा है। इस तकनीक का सबसे सामान्य उपयोग, हर्बिसाइड प्रतिरोधी लक्षण जोड़ना, इस अभ्यास को अधिक लोकप्रिय नहीं बना पाया है, क्योंकि यह हर्बिसाइड उपयोग में वृद्धि से जुड़ा है, जिसमें संभावित कैंसर‑कारक RoundUp भी शामिल है।

साथ ही, लगभग हर पाली हुई फसल अपने जंगली पूर्वजों से आनुवंशिक रूप से भारी रूप से संशोधित है, अंतर यह है कि ये परिवर्तन यादृच्छिक रूप से हुए हैं, न कि लक्षित उत्परिवर्तनों के माध्यम से।

हर्बिसाइड‑प्रतिरोधी जीएमओ में देखी गई समस्या हर्बिसाइड‑प्रतिरोधी खरपतवारों का प्रसार है। हाइपरस्पेक्ट्रल प्रोफ़ाइल के लिए संशोधित फसलों में भी समान समस्याएँ उत्पन्न हो सकती हैं।

फिर भी, यह डि नोवो पालतूकरण के वादे से ध्यान नहीं हटाना चाहिए।

यह दृष्टिकोण नई खाद्य फसलें बना सकता है जो सूखा, लवणीयता, गर्मी की लहरें, रोग और कीटों के प्रति अधिक प्रतिरोधी हों।

यह हमें नई मुख्य फसलें (जैसे गेहूँ और चावल) बनाने की भी अनुमति दे सकता है जो वार्षिक नहीं बल्कि बहुवर्षीय हों, हर साल पुनः उगें, कार्बन को पकड़ें, और मिट्टी के क्षरण को सीमित करें, जैसे उदाहरण के तौर पर अफ़्रीकी जंगली चावल या नवीन रूप से विकसित स्थायी हाइब्रिड अनाज Kernza®।

स्रोत: Frontiers

नवोन्मेषी कृषि कंपनियाँ

1. Deere & Company

यह सार्वजनिक रूप से सूचीबद्ध कंपनी अपनी पारंपरिक कृषि मशीनरी के लिए जानी जाती है। यह सबसे उन्नत कृषि उपकरणों में भी अग्रणी है, जो AI, IoT, रोबोट, मशीन लर्निंग, बिग डेटा आदि जैसी तकनीकों को लागू करके डेटा‑आधारित निर्णय लेती है।

स्रोत: Deere

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, Deere भी Blue River Technology जैसी स्टार्ट‑अप्स के साथ साझेदारी कर रहा है, जो फ़ील्ड में प्रत्येक पौधे की पहचान के लिए मशीन विज़न का उपयोग करती है।

इसलिए, यह संभावना है कि स्वायत्त ट्रैक्टर/रोबोट और मशीन विज़न, संभवतः डि नोवो पालतूकरण वाली फसलों पर लागू होते हुए, John Deere का भविष्य होंगे, जो इन तकनीकों को उपग्रह इमेजरी और अन्य AI‑आधारित समाधानों में सहजता से एकीकृत करेंगे।

3.  Bayer Crop Science  (BAYRY)

Bayer Crop Sciences, Bayer Global (जो एक फार्मास्यूटिकल कंपनी भी है) का हिस्सा है, और यह बीज, लक्षण और फसल संरक्षण के आसपास नवाचारों पर केंद्रित है।

Bayer के नवाचारों ने उसके बायोटेक्नोलॉजी वैज्ञानिकों को पौधे के DNA में लक्षित सुधार करने में मदद की है।

Monsanto के साथ अपने विलय के बाद, यह जीएमओ फसलों और खरपतवार प्रबंधन में भी अग्रणी बन गया है। इस विलय के साथ बहुत महंगे RoundUp मुकदमों की समस्या आई, जिससे विलय के बाद के वर्षों में कंपनी का स्टॉक गिर गया।

यह पारंपरिक जीएमओ बीज बाजार का अधिकांश हिस्सा नियंत्रित करता है और मक्का, सोयाबीन, गेहूँ आदि के अगले पीढ़ी के बीजों के लिए CRISPR के उपयोग पर भी काम कर रहा है।

Bayer के अनुसार, फसल संरक्षण के लाभ अत्यधिक हैं। फसल संरक्षण तंत्र विश्व स्तर पर लगभग 30 प्रतिशत कृषि उपज की सुरक्षा करता है, जो 550 मिलियन टन भोजन के बराबर है, जो 2 अरब से अधिक लोगों को खिलाने में सक्षम है।

स्रोत: Bayer

Bayer पारंपरिक जीएमओ से Gingko Bioworks (DNA) के साथ साझेदारी के माध्यम से आगे बढ़ रहा है, जो सबसे बड़े सिंथेटिक बायोलॉजी कंपनियों में से एक है। यह साझेदारी माइक्रोऑर्गेनिज़्म के जीन संपादन के माध्यम से रासायनिक उर्वरकों के जैविक विकल्प विकसित करने पर केंद्रित है।

यह बीज विविधता और पौधों में जीन संपादन में अग्रणी है, जिसके पाइपलाइन में 500 से अधिक नई फसल किस्में हैं (और 2022 में 250 नई फसल पंजीकरण)।

कंपनी कृषि में तकनीक के एकीकरण में भी अग्रणी है। उदाहरण के लिए, Bayer ने Microsoft के साथ साझेदारी की (MSFT ) ताकि तकनीकी दिग्गज के डेटा प्रबंधन सिस्टम Azur को Bayer की उपग्रह, फ़ील्ड सेंसर, ड्रोन, फ़ील्ड उपकरण और मिट्टी सेंसर से डेटा उपयोग करने की विशेषज्ञता के साथ मिलाया जा सके, जिससे वास्तव में आधुनिक और जुड़ी हुई फ़ार्म बनें।

स्रोत: Bayer

GMOs (पारंपरिक और उन्नत जीन संपादन), पौधा विविधता चयन और कृषि में बिग डेटा के एकीकरण में अपनी नेतृत्व के कारण, Bayer डि नोवो पालतूकरण वाली फसलें बनाने की प्रक्रिया के साथ-साथ कृषि रोबोटों द्वारा खरपतवार की हाइपरस्पेक्ट्रल पहचान में एक स्वाभाविक उम्मीदवार होगा।