Jordbruk
Framsteg inom jordbruk med AI och genetisk ingenjörskonst – Framtiden för odling
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Skapa nya livsmedelsgrödor
Sedan jordbrukets begynnelse har mänskligheten förvandlat vilda ogräs till domesticerade grödor, som har högre näringsinnehåll, bättre smak, är lättare att skörda och har större frön.
Dock har modern avel av livsmedelsgrödor lett till selektion för egenskaper som starkare respons på gödsel, bekämpningsmedel och bevattning, vilket resulterar i mer sköra sorter som är beroende av höginsatsjordbrukssystem.
Klimatförändringar, jorderosion, invasiva arter och ogräs har skapat starkt tryck på dessa överselektade grödor.
Denna domesticeringsprocess var också långsam och “blind”, där nya egenskaper slumpmässigt upptäcktes och selekterades över årtionden, om inte århundraden.
De flesta av världens grödor kommer från ett fåtal “domesticeringshändelser” i några få regioner, vilket lämnar mycket potentiell domesticering kvar att utföra.
För närvarande har nya urvals- och avelsprocedurer av grödor av jordbruksföretag fokuserat på att lägga till egenskaper som torkstressresistens eller motstånd mot skadedjur och sjukdomar till moderna grödor, med blandade resultat.
Huvudproblemet är att många av dessa önskade egenskaper som identifierats i vilda arter är multigeniska, skapade av många gener, ofta dussintals eller till och med hundratals, vilket gör genetisk modifiering av odlade grödor nästan omöjlig.
Ett annat alternativ håller på att dyka upp, kallat “de novo-domesticering”. Idén är att istället för att ta högavkastande moderna grödor och försöka göra dem lika motståndskraftiga som vilda ogräs, varför inte ta redan motståndskraftiga vilda ogräs och göra dem lika produktiva som moderna grödor?
Nya grödor och nya problem
Skapa nya livsmedelskällor
De egenskaper som önskas i en odlad grödvariant tenderar att vara mindre komplexa, ofta styrda av bara en eller ett fåtal gener. Dessutom är dessa genetiska egenskaper generellt väl förstådda.
Så har de novo-domesticeringsmetoden potentialen att producera nya typer av grödor som kan visa motståndskraft mot miljöförändringar och tillräcklig avkastning och egenskaper som livsmedel.
Speciellt när man tar hänsyn till nya verktyg som CRISPR, som möjliggör mycket specifik och kontrollerad genredigering, inklusive att lägga till och ta bort en gen, eller redigera specifika baser i en befintlig gen. Med tanke på att CRISPR nu godkänns för genterapier hos människor, är det sannolikt att den juridiska ramen för CRISPR-redigerade grödor kommer att öppnas i många länder.
The technical details of how it could be done can be found in scientific publications, for example, “Framtidssäkring av jordbruk: De novo-domesticering för hållbara och motståndskraftiga grödor”.
Gå vilse i ogräset
Ett problem som uppstår när man förvandlar ogräs till livsmedelsgrödor är att, uppenbarligen, de nya grödorna kommer att vara mycket lika ogräs. I artikeln “De novo-domesticering: vad sägs om ogräset?” undersökte forskare vid Köpenhamns universitet denna fråga.
I den erkänner de att den traditionella GMO‑metoden för ogräsbekämpning (herbicidresistens) är ohållbar och orsakar för mycket förorening.
Istället föreslår de att robotisk ogräsrensning kan förstärkas med genetisk ingenjörskonst för att skapa ett mycket mer miljövänligt ogräsbekämpningssystem.
När avancerad robotik möter avancerad genredigering
Robotar som ogräsrensar fält
De novo-grödor (och eventuellt även modifierade befintliga grödvarianter) kan förändras för att göra deras identifiering enkel för ogräsrensningsrobotar.
Detta kan vara en fördel för jordbruksrobotar, ett ämne vi diskuterade i vår artikel “Investerare bör notera: Robotik tar över jordbruket“, där vi presenterade en rad ogräsrensningsrobotar:
- Ecorobotix robot kombinerar maskinseende med precisionssprutning för att minska mängden bekämpningsmedel och herbicider som används med upp till 95 %.
- Naio Technologies strävar efter att helt eliminera herbicider från fältet, med en 5‑tons autonom robot som kör över fältet och skär eller rycker upp ogräset med små blad. Den använder LIDAR, GPS‑styrning och maskinseende för att köra självständigt och skilja mellan grödor och ogräs, utan behov av övervakning.
- Blue River Technology, en partner till jätten inom jordbruksmaskiner John Deere, använder maskininlärning och maskinseende för att identifiera varje växt på fältet. Så roboten kan bli av med ogräset men också gallra grödorna, som sallad, vilket ökar den totala avkastningen utan mänsklig inblandning.
Intelligent vision
Denna senaste användning av maskinseende av Blue River är en växande trend bland jordbruksrobotföretag, med andra som följer samma strategi, som Vision Robotics, Ekobot, Carbon Robotics och Aigro.
Överlag utnyttjar de framstegen inom AI som också används för självkörande bilar, leveransrobotar osv.
Problemet är att även människor kan ha svårt att skilja vissa ogräs från grödor. Så även med den mest avancerade maskininlärningen och neurala nätverk kan enkel visuell identifiering ha svårt att korrekt identifiera målet.
Detta problem blir ännu allvarligare för de novo-domesticeringsstrategier, där modifierade ogräs ser mycket lika ut som de ursprungliga vilda ogräsen, ännu mer än konventionella grödor.
I teorin kan dessa problem lösas genom att utveckla mer effektiva eller kraftfulla algoritmer. Dock vet ingen ännu om detta verkligen är genomförbart. Genetiska modifieringar kan komma till undsättning.
Taggning av de novo-grödor
Till skillnad från det mänskliga ögat kan maskinseende enkelt analysera ett brett spektrum av det elektromagnetiska spektrumet, som sträcker sig över det synliga (380–780 nm), nära infraröda (780–2500 nm), mellaninfraröda (2500–25 000 nm) och fjärrinfraröda (25 000–300 000 nm) områdena.
När de kombineras kallas detta för “hyperspektral” vision. Detta är redan en teknik som används för att analysera grödor, med hyperspektrala bilder från drönare eller satelliter för att upptäcka problem som vattenstress, skadedjur och sjukdomar, jordkvalitet osv.
Källa: Imechyperspectral
De nya grödorna och genetiskt redigerade växter kan konstrueras för att ha en annan hyperspektral profil än sina vilda släktingar. Denna skillnad kan sedan användas av robotarna för att omedelbart avgöra vilket som är ogräs och vilket som är den önskade grödan.
Genetisk ingenjörskonst kan också användas för att förändra bladens form, vilket gör de de novo-domesticerade grödorna ännu enklare att identifiera.
Källa: Cell
Skönheten med detta tillvägagångssätt är att en förändring i den hyperspektrala profilen sannolikt inte påverkar växtens miljömässiga anpassningsförmåga. Så det är en förändring som troligen inte skulle vara märkbar på något meningsfullt sätt förutom av ogräsrensningsrobotarna.
Slutligen kan förändringar i de hyperspektrala profilerna uppnås med enstegsgenmodifiering och utförs redan rutinmässigt i växtbiologiska laboratorier, så de kräver ingen ny teknologisk utveckling: de danska forskarna listar inte färre än 17 kända genmodifieringar som kan uppnå de önskade resultaten.
Den bästa metoden?
Bioteknik av grödor har varit ett ämne för debatt i många år. Den vanligaste användningen av denna teknik, att lägga till egenskaper för herbicidresistens, har inte gjort metoden mer populär, eftersom den har kopplats till ökad användning av herbicider, inklusive den potentiellt cancerframkallande RoundUp.
Samtidigt är praktiskt taget varje odlad gröda genetiskt kraftigt modifierad från sina vilda förfäder; den enda skillnaden är att dessa skillnader uppnåddes genom slumpmässiga snarare än riktade mutationer.
Ett problem som observerats med herbicidresistenta GMO har varit spridningen av herbicidresistenta ogräs. Liknande problem kan uppstå med grödor som modifierats för sin hyperspektrala profil.
Detta bör dock inte avleda uppmärksamheten från löftet om de novo-domesticering.
Detta tillvägagångssätt kan skapa nya livsmedelsgrödor som är mer motståndskraftiga mot torka, salinitet, värmeböljor, sjukdomar och skadedjur.
Det kan också möjliggöra att vi skapar nya stapelgrödor (som vete och ris) som inte är ettåriga utan fleråriga, återväxer varje år, binder koldioxid och begränsar jorderosion, som till exempel African wild rice eller den nyodlade fleråriga hybridkornsorten Kernza®.
Källa: Frontiers
Innovativa jordbruksföretag
1. Deere & Company
DE Prisdiagram
Detta börsnoterade företag är känt för sin traditionella jordbruksmekanik. Det är också en ledare inom de mest avancerade jordbruksmaskinerna och använder teknologier som AI, IoT, robotar, maskininlärning, big data med mera för att fatta datadrivna beslut.
Källa: Deere
Som nämnts ovan samarbetar Deere också med startups som Blue River Technology, som använder maskinseende för att identifiera varje växt på fältet.
Så det är sannolikt att autonoma traktorer/robotar och maskinseende, eventuellt tillämpade på de novo-domesticerade grödor, kommer att vara John Deeres framtid, där dessa teknologier sömlöst integreras med satellitbilder och andra AI‑drivna lösningar.
3. Bayer Crop Science (BAYRY)
Bayer Crop Sciences, en del av Bayer Global (också ett läkemedelsföretag), fokuserar på innovationer kring frön, egenskaper och växtskydd.
Bayers innovationer har hjälpt dess bioteknologiska forskare att göra riktade förbättringar i växternas DNA.
Sedan sammanslagningen med Monsanto är den också en ledare inom GMO-grödor och ogräsbekämpning. Denna sammanslagning medförde problemet med mycket kostsamma RoundUp‑rättegångar, vilket fick företagets aktiekurs att sjunka under åren efter sammanslagningen.
Den kontrollerar största delen av den traditionella GMO-frömarknaden och arbetar också med att använda CRISPR för nästa generation av frön för majs, soja, vete med mera.
Enligt Bayer är fördelarna med växtskydd enorma. Växtskyddsmekanismen skyddar cirka 30 % av jordbrukets avkastning världen över, motsvarande 550 miljoner ton mat som kan föda mer än 2 miljarder människor.
Källa: Bayer
Bayer går från traditionella GMO genom ett partnerskap med Gingko Bioworks (DNA), ett av de största syntetiska biologiföretagen. Partnerskapet fokuserar på att utveckla biologiska alternativ till kemiska gödningsmedel via genredigering av mikroorganismer.
Den är en ledare inom frövarianter och genredigering i växter, med över 500 nya grödvarianter i sin pipeline (och 250 nya grödregistreringar år 2022).
Företaget är också en ledare i att integrera teknik i jordbruket. Till exempel Bayer tecknade ett partnerskap med Microsoft (MSFT ) för att kombinera teknikjättens datalagringssystem Azure med Bayers expertis i att använda data från satelliter, fältsensorer, drönare, fältutrustning och jordens sensorer för att skapa verkligt moderna och sammankopplade gårdar.
Källa: Bayer
Tack vare sitt ledarskap inom GMO (traditionella och avancerad genredigering), urval av växtvarianter och integration av big data i jordbruket, skulle Bayer vara en naturlig kandidat att följa processen att skapa de novo-domesticerade grödor, samt hyperspektral upptäckt av ogräs av jordbruksrobotar.
