Agricoltura
Far progredire l’agricoltura con l’intelligenza artificiale e l’ingegneria genetica: il futuro della coltivazione
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Creazione di nuove colture alimentari
Fin dagli albori dell’agricoltura, l’umanità ha trasformato le erbacce selvatiche in colture domestiche, che hanno un contenuto nutrizionale più elevato, un gusto migliore, sono più facili da raccogliere e hanno semi più grandi.
Tuttavia, la moderna selezione delle colture alimentari ha portato alla selezione di caratteristiche come una risposta più forte ai fertilizzanti, ai pesticidi e all’irrigazione, con il risultato di varietà più fragili che dipendono da sistemi agricoli ad alto input.
Il cambiamento climatico, l’erosione del suolo, le specie invasive e le erbe infestanti hanno creato una forte pressione su queste colture eccessivamente selezionate.
Anche questo processo di addomesticamento fu lento e “cieco”, con nuovi tratti scoperti e selezionati casualmente nel corso di decenni se non secoli.
La maggior parte dei raccolti mondiali proviene da una manciata di “eventi di addomesticamento” avvenuti in alcune regioni del mondo, lasciando ancora molte possibilità di addomesticamento da realizzare.
Per ora, le nuove procedure di selezione e selezione delle colture da parte delle aziende agricole si sono concentrate sull’aggiunta di caratteristiche come la resistenza allo stress idrico o la resistenza ai parassiti e alle malattie alle colture moderne, con risultati contrastanti.
Il problema principale è che molti di questi tratti desiderabili identificati nelle specie selvatiche sono multigenici, creati da molti geni, spesso dozzine o addirittura centinaia, rendendo quasi impossibile la modificazione genetica delle colture coltivate.
Sta emergendo un’altra opzione, chiamata “addomesticamento de novo”. L’idea è che invece di prendere colture moderne ad alto rendimento e cercare di renderle resistenti come le erbacce selvatiche, perché non prendere erbe selvatiche già resistenti e renderle produttive quanto le colture moderne?
Nuovi raccolti e nuovi problemi
Creazione di nuove fonti alimentari
I tratti desiderabili in una varietà di coltura coltivata tendono ad essere meno complessi, spesso diretti da uno o pochi geni. Inoltre, queste caratteristiche genetiche sono generalmente ben comprese.
Pertanto, l’approccio della domesticazione de novo ha il potenziale per produrre nuovi tipi di colture che potrebbero mostrare resistenza ai cambiamenti ambientali e rese e caratteristiche sufficientemente buone come cibo.
Soprattutto se si prendono in considerazione nuovi strumenti come CRISPR, che consentono un editing genetico molto specifico e controllato, inclusa l’aggiunta e la rimozione di un gene o la modifica di basi specifiche di un gene esistente. Considerando che CRISPR è ora in fase di approvazione per le terapie geniche negli esseri umani, è probabile che il quadro giuridico per le colture modificate da CRISPR si aprirà in molti paesi.
I dettagli tecnici su come potrebbe essere fatto possono essere trovati in pubblicazioni scientifiche, ad esempio, “Agricoltura a prova di futuro: addomesticamento de novo per colture sostenibili e resilienti".
Perdersi tra le erbacce
Un problema che sorge quando si trasformano le erbacce in colture alimentari è che, ovviamente, le nuove colture saranno molto simili alle erbacce. Nell'articolo "Addomesticamento de novo: che dire delle erbacce?”, i ricercatori dell’Università di Copenaghen hanno esaminato questa domanda.
In esso si ammette che il tradizionale approccio OGM alla gestione delle infestanti (resistenza agli erbicidi) è insostenibile e causa troppo inquinamento.
Propongono invece che la tecnologia di diserbo robotizzato potrebbe essere potenziata dall’ingegneria genetica per creare un sistema di gestione delle infestanti molto più rispettoso dell’ambiente.
Quando la robotica avanzata incontra l'editing genetico avanzato
Robot che sarchiano i campi
Le colture de novo (e potenzialmente anche le varietà di colture esistenti modificate) potrebbero essere modificate per rendere la loro identificazione facile per i robot diserbo.
Questo potrebbe essere un vantaggio per i robot agricoli, argomento di cui abbiamo parlato nel nostro articolo “Gli investitori dovrebbero prendere nota: la robotica sta prendendo il sopravvento sull’agricoltura”, dove abbiamo presentato una varietà di robot diserbo:
- Ecorobotix'srobot combina la visione artificiale con l'irrorazione di precisione per ridurre fino al 95% il volume di pesticidi ed erbicidi utilizzati.
- Tecnologie Naio mira a rimuovere completamente l’erbicida dal campo, con un robot autonomo da 5 tonnellate che guida il campo e tritura o sradica le erbacce con piccole lame. Utilizza LIDAR, guida GPS e visione artificiale per guidare da solo e distinguere i raccolti dalle erbacce, senza richiedere supervisione.
- Tecnologia Blue River, partner del colosso delle macchine agricole John Deere. Utilizza l'apprendimento automatico e la visione artificiale per identificare ogni pianta sul campo. Quindi il robot può eliminare le erbacce ma anche diradare i raccolti, come la lattuga, aumentando la resa complessiva senza l’intervento umano.
Visione intelligente
Quest’ultimo utilizzo della visione artificiale da parte di Blue River è una tendenza in crescita tra le aziende agricole di robotica, insieme ad altre che perseguono la stessa strategia, come Robotica visiva, Ekobot, Robotica del carbonioe Aigro.
Nel complesso, sfruttano i progressi compiuti nell’intelligenza artificiale che viene utilizzata anche per auto a guida autonoma, robot per le consegne, ecc.
Il problema è che anche gli esseri umani possono avere difficoltà a distinguere alcune erbe infestanti dalle colture. Pertanto, anche con l’apprendimento automatico e le reti neurali più avanzate, la semplice identificazione visiva può avere difficoltà a identificare correttamente il bersaglio.
Questo problema sarà ancora più grave per le strategie di addomesticamento de novo, con l’aspetto modificato delle infestanti molto simili alle erbe infestanti selvatiche originarie, ancor più delle colture convenzionali.
In teoria, questi problemi potrebbero essere risolti sviluppando algoritmi più efficienti o potenti. Nessuno però sa ancora se ciò sia davvero fattibile. Le modifiche genetiche potrebbero venire in soccorso.
Etichettatura delle colture De Novo
Contrariamente all'occhio umano, la visione artificiale può facilmente analizzare un'ampia gamma dello spettro elettromagnetico, che comprende il visibile (380–780 nm), il vicino infrarosso (780–2500 nm), il medio infrarosso (2500–25 nm), e nel lontano infrarosso (000–25 nm).
Quando combinati insieme, questa è nota come visione “iperspettrale”. Si tratta già di una tecnologia utilizzata per analizzare le colture, utilizzando immagini iperspettrali provenienti da droni o satelliti per rilevare problemi come stress idrico, parassiti e malattie, qualità del suolo, ecc.
Fonte: Imechiperspettrale
Le nuove colture e le piante geneticamente modificate potrebbero essere progettate per avere un profilo iperspettrale diverso rispetto ai loro cugini selvatici. Questa differenza potrebbe poi essere utilizzata dai robot per decidere istantaneamente quale sia l’erbaccia e quale il raccolto desiderato.
L’ingegneria genetica potrebbe essere utilizzata anche per modificare la forma delle foglie, rendendo ancora più facile identificare le colture domestiche de novo.
Fonte: Cella
La bellezza di questo approccio è che è improbabile che un cambiamento nel profilo iperspettrale cambi l'idoneità ambientale della pianta. Si tratta quindi di un cambiamento che probabilmente non sarebbe rilevabile in alcun modo significativo se non dai robot diserbanti.
Infine, i cambiamenti nei profili iperspettrali possono essere ottenuti con la modificazione mono-genica, e sono già eseguiti di routine nei laboratori di biologia vegetale, quindi non richiedono nuovi progressi tecnologici: i ricercatori danesi elencano non meno di 17 modificazioni genetiche conosciute in grado di raggiungere il risultati desiderati.
L'approccio migliore?
Le colture bioingegnerizzate sono oggetto di dibattito da molti anni. L’uso più comune di questa tecnologia, l’aggiunta di tratti di resistenza agli erbicidi, non ha contribuito a rendere la pratica più popolare, poiché è stata collegata all’aumento dell’uso di erbicidi, incluso il RoundUp, potenzialmente cancerogeno.
Allo stesso tempo, praticamente ogni coltura coltivata è geneticamente fortemente modificata rispetto ai suoi antenati selvatici, l’unica differenza è che queste differenze sono state ottenute attraverso mutazioni casuali anziché dirette.
Un problema riscontrato con gli OGM resistenti agli erbicidi è stata la diffusione di erbe infestanti resistenti agli erbicidi. Problemi simili possono sorgere con colture modificate per il loro profilo iperspettrale.
Ciò, tuttavia, non dovrebbe distrarre dalla promessa di un addomesticamento de novo.
Questo approccio potrebbe creare nuove colture alimentari più resistenti alla siccità, alla salinizzazione, alle ondate di caldo, alle malattie e ai parassiti.
Potrebbe anche consentirci di creare nuove colture di base (come grano e riso) che non siano annuali ma perenni, che ricrescono ogni anno, catturando carbonio e limitando l’erosione del suolo, come ad esempio Riso selvatico africano oppure Grano ibrido perenne Kernza® appena allevato.
Fonte: Frontiers
Imprese agricole innovative
1. Deere & Company
Questa società quotata in borsa è nota per le sue macchine agricole tradizionali. È anche leader nei macchinari agricoli più avanzati, implementando tecnologie come intelligenza artificiale, IoT, robot, apprendimento automatico, big data, ecc., per prendere decisioni basate sui dati.
Fonte: Deere
Come accennato in precedenza, Deere sta anche collaborando con startup come Tecnologia Blue River, utilizzando la visione artificiale per identificare ogni pianta sul campo.
Quindi, è probabile che i trattori/robot autonomi e la visione artificiale, magari applicati alle colture domestiche de novo, saranno il futuro di John Deere, integrando senza problemi queste tecnologie nelle immagini satellitari e in altre soluzioni basate sull’intelligenza artificiale.
3. Bayer Crop Science (BAIA)
Bayer Crop Sciences, parte di Bayer Global (anch'essa un'azienda farmaceutica), si concentra sulle innovazioni relative a sementi, caratteristiche e protezione delle colture.
Le innovazioni della Bayer hanno aiutato i suoi scienziati biotecnologici ad apportare miglioramenti mirati al DNA delle piante.
Dalla sua fusione con Monsanto, è anche leader nelle colture OGM e nella gestione delle infestanti. Questa fusione è arrivata con il problema di cause legali RoundUp molto costose, che hanno causato il crollo delle azioni della società negli anni successivi alla fusione.
Controlla la maggior parte del tradizionale mercato delle sementi OGM e sta anche lavorando all’utilizzo di CRISPR per la prossima generazione di semi di mais, soia, grano, ecc.
I benefici della protezione delle colture, secondo Bayer, sono enormi. Il meccanismo di protezione delle colture salvaguarda circa il 30% dei rendimenti agricoli a livello mondiale, equivalenti a 550 milioni di tonnellate di cibo che potrebbero nutrire più di 2 miliardi di persone.
Fonte: Bavarese
Bayer si sta allontanando dagli OGM tradizionali attraverso una partnership con Gingko Bioworks (DNA), una delle più grandi aziende di biologia sintetica. La partnership è focalizzata sullo sviluppo di alternative biologiche ai fertilizzanti chimici attraverso l’editing genetico dei microrganismi.
È leader nella varietà di sementi e nell’editing genetico delle piante, con oltre 500 nuove varietà di colture in cantiere (e 250 nuove registrazioni di colture nel 2022).
L’azienda è anche leader nell’integrazione della tecnologia nell’agricoltura. Per esempio, Bayer ha firmato una partnership con Microsoft combinare il sistema di gestione dei dati Azur del gigante della tecnologia con l’esperienza di Bayer nell’utilizzo dei dati provenienti da satelliti, sensori di campo, droni, apparecchiature di campo e sensori del suolo per creare aziende agricole veramente moderne e interconnesse.
Fonte: Bavarese
Grazie alla sua leadership negli OGM (editing genetico tradizionale e avanzato), nella selezione delle varietà vegetali e nell’integrazione dei big data nell’agricoltura, Bayer sarebbe un candidato naturale per accompagnare il processo di creazione di colture domestiche de novo, nonché il rilevamento iperspettrale delle erbe infestanti. dai robot agricoli.
