Agricultura
Avançando a Agricultura com IA e Engenharia Genética – O Futuro do Cultivo
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Criando Novas Culturas Alimentares
Desde o início da agricultura, a humanidade transformou ervas daninhas selvagens em culturas domesticadas, que possuem maior conteúdo nutricional, melhor sabor, são mais fáceis de colher e têm sementes maiores.
No entanto, o melhoramento moderno de culturas alimentares resultou na seleção de características como resposta mais forte a fertilizantes, pesticidas e irrigação, produzindo variedades mais frágeis que dependem de sistemas agrícolas de alto insumo.
As mudanças climáticas, a erosão do solo, espécies invasoras e ervas daninhas criaram forte pressão sobre essas culturas superselecioneadas.
Esse processo de domesticação também foi lento e “cego”, com novas características descobertas e selecionadas aleatoriamente ao longo de décadas, se não séculos.
A maioria das culturas do mundo provém de um pequeno número de “eventos de domesticação” em algumas regiões, deixando muito espaço para novas domesticações.
Por enquanto, os novos procedimentos de seleção e melhoramento de culturas por empresas agrícolas têm se concentrado em adicionar características como resistência ao estresse hídrico ou resistência a pragas e doenças às culturas modernas, com resultados mistos.
A principal questão é que muitas dessas características desejáveis identificadas em espécies selvagens são multigênicas, criadas por muitos genes, frequentemente dezenas ou até centenas, tornando a modificação genética de culturas cultivadas quase impossível.
Outra opção está surgindo, chamada “domesticação de novo”. A ideia é que, em vez de pegar culturas modernas de alto rendimento e tentar torná‑las tão resistentes quanto ervas daninhas selvagens, por que não pegar ervas daninhas já resistentes e torná‑las tão produtivas quanto as culturas modernas?
Novas Culturas e Novos Problemas
Criando Novas Fontes Alimentares
As características desejáveis em uma variedade cultivada tendem a ser menos complexas, muitas vezes dirigidas por apenas um ou alguns genes. Além disso, essas características genéticas são geralmente bem compreendidas.
Portanto, a abordagem de domesticação de novo tem o potencial de produzir novos tipos de culturas que poderiam exibir resistência a mudanças ambientais e rendimento e características suficientes como alimento.
Especialmente quando se leva em conta novas ferramentas como o CRISPR, que permitem edição genética muito específica e controlada, incluindo a adição e remoção de um gene, ou a edição de bases específicas de um gene existente. Considerando que o CRISPR já está sendo aprovado para terapias genéticas em humanos, é provável que o marco regulatório para culturas editadas com CRISPR se abra em muitos países.
Os detalhes técnicos de como isso poderia ser feito podem ser encontrados em publicações científicas, por exemplo, “Future-Proofing Agriculture: De Novo Domestication for Sustainable and Resilient Crops”.
Perdendo‑se nas Ervas Daninhas
Um problema que surge ao transformar ervas daninhas em culturas alimentares é que, obviamente, as novas culturas serão muito semelhantes às ervas daninhas. No artigo “De novo domestication: what about the weeds?“, pesquisadores da Universidade de Copenhague analisaram essa questão.
Nele, eles admitem que a abordagem tradicional de OGM para manejo de ervas daninhas (resistência a herbicidas) é insustentável e causa muita poluição.
Em vez disso, propõem que a tecnologia robótica de capina poderia ser potencializada pela engenharia genética para criar um sistema de manejo de ervas daninhas muito mais amigável ao meio ambiente.
Quando a Robótica Avançada Encontra a Edição Genética Avançada
Robôs Capinando Campos
As culturas de novo (e potencialmente, variedades de culturas existentes modificadas também) poderiam ser alteradas para facilitar sua identificação por robôs de capina.
Isso poderia ser uma vantagem para os robôs agrícolas, tema que discutimos em nosso artigo “Investors Should Take Note: Robotics Is Taking Over Farming”, onde apresentamos uma variedade de robôs de capina:
- Ecorobotix combina visão de máquina com pulverização de precisão para reduzir em até 95% o volume de pesticidas e herbicidas usados.
- Naio Technologies pretende eliminar totalmente o herbicida do campo, com um robô autônomo de 5 toneladas que percorre o campo e tritura ou arranca as ervas daninhas com lâminas pequenas. Usa LIDAR, orientação GPS e visão de máquina para conduzir-se sozinho e distinguir culturas de ervas daninhas, sem necessidade de supervisão.
- Blue River Technology, parceiro do gigante de equipamentos agrícolas John Deere. Utiliza aprendizado de máquina e visão de máquina para identificar cada planta no campo. Assim, o robô pode eliminar a erva daninha e também desbastar as culturas, como alface, aumentando o rendimento total sem intervenção humana.
Visão Inteligente
Esse último uso de visão de máquina pela Blue River é uma tendência crescente entre as empresas de robótica agrícola, com outras seguindo a mesma estratégia, como Vision Robotics, Ekobot, Carbon Robotics e Aigro.
No geral, elas aproveitam o progresso da IA que também é usado em carros autônomos, robôs de entrega, etc.
O problema é que até mesmo humanos podem ter dificuldade em distinguir algumas ervas daninhas das culturas. Portanto, mesmo com o aprendizado de máquina e redes neurais mais avançados, a simples identificação visual pode falhar em reconhecer o alvo corretamente.
Esse problema será ainda mais sério para estratégias de domesticação de novo, com ervas daninhas modificadas parecendo muito semelhantes às ervas daninhas selvagens originais, ainda mais do que as culturas convencionais.
Em teoria, esses problemas poderiam ser resolvidos desenvolvendo algoritmos mais eficientes ou poderosos. No entanto, ainda não se sabe se isso é realmente viável. Modificações genéticas podem ser a solução.
Tagging De Novo Crops
Ao contrário do olho humano, a visão de máquina pode analisar facilmente uma ampla gama do espectro eletromagnético, abrangendo o visível (380–780 nm), o infravermelho próximo (780–2500 nm), o infravermelho médio (2500–25 000 nm) e o infravermelho distante (25 000–300 000 nm).
Quando combinados, isso é conhecido como visão “hiperespectral”. Essa já é uma tecnologia usada para analisar culturas, usando imagens hiperespectrais de drones ou satélites para detectar problemas como estresse hídrico, pragas e doenças, qualidade do solo, etc.
Fonte: Imechyperspectral
As novas culturas e plantas geneticamente editadas poderiam ser projetadas para ter um perfil hiperespectral diferente de seus parentes selvagens. Essa diferença poderia então ser usada pelos robôs para decidir instantaneamente qual é a erva daninha e qual é a cultura desejada.
A engenharia genética também poderia ser usada para modificar a forma das folhas, tornando as culturas domesticadas de novo ainda mais fáceis de identificar.
Fonte: Cell
A beleza dessa abordagem é que uma mudança no perfil hiperespectral dificilmente alterará a aptidão ambiental da planta. Portanto, é uma mudança que provavelmente não será detectável de forma significativa, exceto pelos robôs de capina.
Por fim, alterações nos perfis hiperespectrais podem ser alcançadas com modificação de um único gene, e já são rotineiramente realizadas em laboratórios de biologia vegetal, não exigindo novos avanços tecnológicos: os pesquisadores dinamarqueses listam nada menos que 17 modificações genéticas conhecidas que alcançam os resultados desejados.
A Melhor Abordagem?
A bioengenharia de culturas tem sido tema de debate há muitos anos. O uso mais comum dessa tecnologia, adicionar características de resistência a herbicidas, não ajudou a tornar a prática mais popular, pois tem sido associado ao aumento do uso de herbicidas, incluindo o potencial cancerígeno RoundUp.
Ao mesmo tempo, praticamente todas as culturas cultivadas são geneticamente fortemente modificadas em relação aos seus ancestrais selvagens; a única diferença é que essas diferenças foram obtidas por mutações aleatórias em vez de mutações dirigidas.
Um problema observado com OGM resistentes a herbicidas tem sido a disseminação de ervas daninhas resistentes a herbicidas. Problemas semelhantes podem surgir com culturas modificadas para seu perfil hiperespectral.
Isso, no entanto, não deve desviar a atenção da promessa da domesticação de novo.
Essa abordagem poderia criar novas culturas alimentares mais resistentes à seca, salinização, ondas de calor, doenças e pragas.
Também poderia nos permitir criar novas culturas básicas (como trigo e arroz) que não sejam anuais, mas perenes, que se regeneram a cada ano, capturam carbono e limitam a erosão do solo, como, por exemplo, African wild rice ou o novo híbrido perene Kernza®.
Fonte: Frontiers
Empresas Inovadoras na Agricultura
1. Deere & Company
DE Gráfico de preços
Esta empresa de capital aberto é conhecida por sua maquinaria agrícola tradicional. Também lidera as máquinas agrícolas mais avançadas, implantando tecnologias como IA, IoT, robôs, aprendizado de máquina, big data etc., para tomar decisões baseadas em dados.
Fonte: Deere
Como mencionado acima, a Deere também está em parceria com startups como Blue River Technology, usando visão de máquina para identificar cada planta no campo.
Portanto, é provável que tratores/robôs autônomos e visão de máquina, talvez aplicados a culturas domesticadas de novo, sejam o futuro da John Deere, integrando suavemente essas tecnologias a imagens de satélite e outras soluções impulsionadas por IA.
3. Bayer Crop Science (BAYRY)
Bayer Crop Sciences, parte da Bayer Global (também empresa farmacêutica), foca em inovações em sementes, características e proteção de culturas.
As inovações da Bayer ajudaram seus cientistas de biotecnologia a fazer melhorias direcionadas dentro do DNA das plantas.
Desde sua fusão com a Monsanto, também lidera as culturas OGM e o manejo de ervas daninhas. Essa fusão trouxe o problema de processos judiciais extremamente caros contra o RoundUp, que fizeram as ações da empresa despencarem nos anos seguintes à fusão.
Controla a maior parte do mercado tradicional de sementes OGM e também trabalha no uso do CRISPR para a próxima geração de sementes de milho, soja, trigo etc.
Os benefícios da proteção de culturas, segundo a Bayer, são enormes. O mecanismo de proteção de culturas salvaguarda cerca de 30 % da produção agrícola mundial, equivalente a 550 milhões de toneladas de alimentos que poderiam alimentar mais de 2 bilhões de pessoas.
Fonte: Bayer
A Bayer está passando de OGM tradicionais por meio de uma parceria com a Gingko Bioworks (DNA), uma das maiores empresas de biologia sintética. A parceria foca no desenvolvimento de alternativas biológicas aos fertilizantes químicos via edição genética de microrganismos.
É líder em variedade de sementes e edição genética em plantas, com mais de 500 novas variedades de culturas em seu pipeline (e 250 novos registros de culturas em 2022).
A empresa também lidera a integração de tecnologia na agricultura. Por exemplo, A Bayer assinou uma parceria com a Microsoft (MSFT ) para combinar o sistema de gerenciamento de dados Azure da gigante tecnológica com a expertise da Bayer em usar dados de satélites, sensores de campo, drones, equipamentos de campo e sensores de solo para criar fazendas verdadeiramente modernas e conectadas.
Fonte: Bayer
Graças à sua liderança em OGM (tradicionais e edição genética avançada), seleção de variedades de plantas e integração de big data na agricultura, a Bayer seria um candidato natural para acompanhar o processo de criação de culturas domesticadas de novo, bem como a detecção hiperespectral de ervas daninhas por robôs agrícolas.
