Pagsusulong ng Agrikultura gamit ang AI at Genetic Engineering – Ang Hinaharap ng Pagsasaka

Paglikha ng mga Bagong Pananim na Pagkain

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.

Gayunpaman, ang modernong pagpaparami ng mga pananim na pagkain ay nagresulta sa pagpili ng mga katangian tulad ng mas malakas na tugon sa pataba, pestisidyo, at irigasyon, na nagdudulot ng mas marupok na mga uri na nakadepende sa mataas na input na mga sistemang agrikultural.

Ang pagbabago ng klima, pagguho ng lupa, mga dayuhang species, at mga damo ay nagdulot ng matinding presyon sa mga labis na piniling pananim na ito.

Ang prosesong ito ng domestikasyon ay mabagal din at “bulag”, kung saan ang mga bagong katangian ay natuklasan nang random at pinili sa loob ng mga dekada kung hindi siglo.

Karamihan sa mga pananim sa mundo ay nagmula sa iilang “kaganapan ng domestikasyon” sa ilang rehiyon, na nag-iiwan ng maraming posibleng domestikasyon na maaaring gawin.

Pinagmulan: International Journal of Molecular Sciences

Sa ngayon, ang mga bagong pamamaraan ng seleksyon at pagpaparami ng mga pananim ng mga kumpanyang agrikultural ay nakatuon sa pagdaragdag ng mga katangian tulad ng resistensya sa stress ng tubig o pesteng at sakit na resistensya sa mga modernong pananim, na may halo-halong resulta.

Ang pangunahing suliranin ay marami sa mga kanais-nais na katangiang ito na natukoy sa mga ligaw na species ay multigenic, nilikha ng maraming gene, kadalasan dose-dosen o kahit daan-daang mga ito, na ginagawang halos imposibleng baguhin ang genetika ng mga inangkop na pananim.

Isang bagong opsyon ang lumilitaw, na tinatawag na “de novo domestication”. Ang ideya ay sa halip na kunin ang mga modernong pananim na may mataas na ani at subukang gawing kasing-resistente ng mga ligaw na damo, bakit hindi kunin na ang mga ligaw na damong may resistensya na at gawing kasing-produktibo ng mga modernong pananim?

Mga Bagong Pananim at Mga Bagong Problema

Paglikha ng mga Bagong Pinagmumulan ng Pagkain

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.

Ang mga katangiang kanais-nais sa isang inangkop na uri ng pananim ay karaniwang hindi kumplikado, madalas pinamumunuan ng isa o ilang mga gene. Bukod dito, ang mga genetic na tampok na ito ay karaniwang nauunawaan nang mabuti.

Kaya, ang lapit ng de novo domestication ay may potensyal na lumikha ng mga bagong uri ng pananim na maaaring magpakita ng resistensya sa mga pagbabago sa kapaligiran at sapat na ani at katangian bilang pagkain.

Lalo na kapag isinasaalang-alang ang mga bagong kasangkapan tulad ng CRISPR, na nagbibigay-daan sa napaka-tiyak at kontroladong pag-edit ng gene, kabilang ang pagdaragdag at pagtanggal ng gene, o pag-edit ng tiyak na base ng umiiral na gene. Dahil ang CRISPR ay aprubado na ngayon para sa gene therapy sa mga tao, malamang na ang legal na balangkas para sa mga CRISPR-edited na pananim ay magbubukas sa maraming bansa.

Pinagmulan: International Journal of Molecular Sciences

Ang mga teknikal na detalye kung paano ito maaaring gawin ay matatagpuan sa mga siyentipikong publikasyon, halimbawa, “Future-Proofing Agriculture: De Novo Domestication for Sustainable and Resilient Crops”.

Naliligaw sa mga Damo

Isang isyu na lumilitaw kapag ginawang pagkain ang mga damo ay ang bagong mga pananim ay halatang kahawig ng mga damo. Sa artikulong “De novo domestication: what about the weeds?“, sinuri ng mga mananaliksik sa University of Copenhagen ang tanong na ito.

Sa loob nito, inamin nila na ang tradisyonal na pamamaraan ng GMO sa pamamahala ng damo (resistensya sa herbicide) ay hindi napapanatili at nagdudulot ng labis na polusyon.

Sa halip, iminungkahi nila na ang teknolohiyang robotikong pag-aalis ng damo ay maaaring palakasin ng genetic engineering upang lumikha ng mas napaka-ambiental na kaaya-ayang sistema ng pamamahala ng damo.

Kapag Nagtatagpo ang Advanced Robotics at Advanced Gene Editing

Mga Robot na Nag-aalis ng Damo sa mga Bukid

Ang mga de novo na pananim (at posibleng, binagong umiiral na mga uri ng pananim din) ay maaaring baguhin upang gawing madali ang kanilang pagkakakilanlan para sa mga robot na nag-aalis ng damo.

Maaaring ito ay isang biyaya para sa mga robot sa pagsasaka, isang paksa na tinalakay namin sa aming artikulo “Investors Should Take Note: Robotics Is Taking Over Farming”, kung saan ipinakita namin ang iba’t ibang robot na nag-aalis ng damo:

• Ecorobotix robot ay pinagsasama ang machine vision sa precision spraying upang mabawasan ng hanggang 95% ang dami ng pestisidyo at herbicide na ginagamit.
• Naio Technologies ay naglalayong ganap na alisin ang herbicide mula sa bukid, gamit ang 5-ton na autonomous robot na nagmamaneho sa bukid at nagpuputol o nag-uunat ng mga damo gamit ang maliliit na talim. Gumagamit ito ng LIDAR, GPS guidance, at machine vision upang magmaneho nang mag-isa at makilala ang mga pananim mula sa mga damo, nang hindi kailangan ng superbisyon.
• Blue River Technology, isang kasosyo ng higanteng kagamitan sa pagsasaka na John Deere. Gumagamit ito ng machine learning at machine vision upang kilalanin ang bawat halaman sa bukid. Kaya ang robot ay maaaring alisin ang damo ngunit pati na rin mag-manipula ng mga pananim, tulad ng lettuce, na nagpapataas ng kabuuang ani nang walang interbensyon ng tao.

Matalinong Bisyon

Ang huling paggamit ng machine vision ng Blue River ay isang lumalawak na trend sa mga kumpanyang robotik sa pagsasaka, kung saan ang iba ay sumusunod sa parehong estratehiya, tulad ng Vision Robotics, Ekobot, Carbon Robotics, at Aigro.

Sa pangkalahatan, sinasamantala nila ang pag-unlad ng AI na ginagamit din sa mga self-driving na sasakyan, mga robot na naghahatid, atbp.

Ang problema ay kahit ang mga tao ay maaaring mahirapan magtukoy ng ilang damo mula sa mga pananim. Kaya, kahit na gamit ang pinakabago na machine learning at neural networks, ang simpleng visual na pagtukoy ay maaaring mahirapan na tamaang matukoy ang target.

Ang problemang ito ay magiging mas seryoso para sa mga estratehiya ng de novo domestication, kung saan ang binagong damo ay mukhang sobrang kahawig ng orihinal na ligaw na damo, higit pa kaysa sa mga karaniwang pananim.

Sa teorya, ang mga problemang ito ay maaaring maresolba sa pamamagitan ng pag-develop ng mas epektibo o mas makapangyarihang mga algorithm. Gayunpaman, wala pang nakakaalam kung ito ay talagang posible. Maaaring makatulong ang mga genetic modification.

Pag-tag ng mga De Novo na Pananim

Sa kabaligtaran ng mata ng tao, ang machine vision ay madaling makapag-analisa ng malawak na saklaw ng electromagnetic spectrum, mula sa visible (380–780 nm), near-infrared (780–2500 nm), mid-infrared (2500–25 000 nm), at far-infrared (25 000–300 000 nm) na mga saklaw.

Kapag pinagsama-sama, ito ay tinatawag na “hyperspectral” vision. Ito ay isang teknolohiya na ginagamit na para sa pagsusuri ng mga pananim, gamit ang hyperspectral na mga imahe mula sa mga drone o satelayt upang matukoy ang mga problema tulad ng stress sa tubig, peste at sakit, kalidad ng lupa, atbp.

Pinagmulan: Imechyperspectral

Ang mga bagong pananim at genetically edited na halaman ay maaaring i-engineer upang magkaroon ng ibang hyperspectral profile kumpara sa kanilang mga ligaw na kamag-anak. Ang pagkakaibang ito ay maaaring magamit ng mga robot upang agad na matukoy kung alin ang damo at alin ang ninanais na pananim.

Ang genetic engineering ay maaari ring gamitin upang baguhin ang hugis ng mga dahon, na ginagawang mas madaling kilalanin ang mga de novo na domestikadong pananim.

Pinagmulan: Cell

Ang ganda ng lapit na ito ay ang pagbabago sa hyperspectral profile ay malabong magbago ng anumang environmental fitness ng halaman. Kaya ito ay isang pagbabago na malamang hindi matutuklasan sa anumang makabuluhang paraan maliban sa mga robot na nag-aalis ng damo.

Sa huli, ang mga pagbabago sa hyperspectral profiles ay maaaring makamit sa pamamagitan ng mono-gene modification, at karaniwang ginagawa na sa mga laboratoryo ng plant biology, kaya hindi na kailangan ng bagong teknolohikal na pag-unlad: binanggit ng mga Danish na mananaliksik ang hindi bababa sa 17 kilalang gene modifications na kayang maghatid ng ninanais na resulta.

Ang Pinakamahusay na Lapit?

Ang bioengineering ng mga pananim ay naging paksa ng debate sa loob ng maraming taon. Ang pinaka-karaniwang paggamit ng teknolohiyang ito, ang pagdaragdag ng mga katangiang resistensya sa herbicide, ay hindi nakatulong upang gawing mas popular ang praktis, dahil ito ay nauugnay sa pagtaas ng paggamit ng herbicide, kabilang ang posibleng cancer-causing na RoundUp.

Sa parehong panahon, halos lahat ng inangkop na pananim ay malalim na binago ang genetika mula sa kanilang mga ligaw na ninuno, ang tanging pagkakaiba ay ang mga pagkakaibang ito ay nakuha sa pamamagitan ng random na halip na direksyong mutasyon.

Isang problema na nakita sa mga herbicide-resistant na GMO ay ang pagkalat ng mga damong may resistensya sa herbicide. Maaaring lumitaw ang katulad na isyu sa mga pananim na binago para sa kanilang hyperspectral profile.

Gayunpaman, hindi ito dapat makagambala sa pangako ng de novo domestication.

Ang lapit na ito ay maaaring lumikha ng mga bagong pananim na mas resistensya sa tagtuyot, paglalalim ng asin, heat waves, sakit, at peste.

Maari rin nitong payagan tayo na lumikha ng mga bagong pangunahing pananim (tulad ng trigo at bigas) na hindi taun-taon kundi perennial, muling tumutubo bawat taon, sumasalo ng carbon, at naglilimita ng pagguho ng lupa, tulad ng halimbawa African wild rice o ang newly bred perennial hybrid grain Kernza®.

Pinagmulan: Frontiers

Mga Inobatibong Kumpanya sa Pagsasaka

1. Deere & Company

Ang kumpanyang ito na publicly traded ay kilala para sa tradisyonal nitong makinarya sa agrikultura. Ito rin ay nangunguna sa pinaka-advanced na mga kagamitan sa pagsasaka, na naglalapat ng mga teknolohiya tulad ng AI, IoT, robot, machine learning, big data, atbp., upang gumawa ng mga desisyon batay sa datos.

Pinagmulan: Deere

Tulad ng nabanggit kanina, ang Deere ay nakikipagtulungan din sa mga startup tulad ng Blue River Technology, na gumagamit ng machine vision upang kilalanin ang bawat halaman sa bukid.

Kaya, malamang na ang mga autonomous na traktora/robot at machine vision, maaaring ilapat sa mga de novo na domestikadong pananim, ay magiging hinaharap ng John Deere, na maayos na isasama ang mga teknolohiyang ito sa satellite imagery at iba pang AI-driven na solusyon.

3.  Bayer Crop Science  (BAYRY)

Ang Bayer Crop Sciences, bahagi ng Bayer Global (isa ring pharmaceutical company), ay nakatuon sa mga inobasyon sa paligid ng mga binhi, katangian, at proteksyon ng pananim.

Ang mga inobasyon ng Bayer ay nakatulong sa mga siyentipiko ng biotechnology nito upang gumawa ng mga target na pagpapabuti sa loob ng DNA ng halaman.

Mula nang magsanib ito sa Monsanto, ito rin ay nangunguna sa mga GMO na pananim at pamamahala ng damo. Ang pagsasanib na ito ay nagdala ng problema ng napakamahal na mga kaso ng RoundUp, na nagdulot ng pagbagsak ng presyo ng stock ng kumpanya sa mga taon pagkatapos ng pagsasanib.

Kinokontrol nito ang karamihan ng tradisyonal na pamilihan ng GMO na binhi at nagtatrabaho rin sa paggamit ng CRISPR para sa susunod na henerasyon ng mga binhi para sa mais, soybean, trigo, atbp.

Ayon sa Bayer, napakalaki ng benepisyo ng proteksyon ng pananim. Ang mekanismo ng proteksyon ng pananim ay nagpoprotekta ng humigit-kumulang 30 porsyento ng ani sa buong mundo, katumbas ng 550 milyong tonelada ng pagkain na maaaring pakainin ang higit sa 2 bilyong tao.

Pinagmulan: Bayer

Ang Bayer ay lumilipat mula sa tradisyonal na GMOs sa pamamagitan ng pakikipagtulungan sa Gingko Bioworks (DNA), isa sa pinakamalaking kumpanya ng synthetic biology. Ang pakikipagtulungan ay nakatuon sa pag-develop ng mga biyolohikal na alternatibo sa kemikal na pataba sa pamamagitan ng gene editing ng mga mikroorganismo.

Ito ay nangunguna sa iba’t ibang uri ng binhi at gene editing sa mga halaman, na may higit sa 500 bagong uri ng pananim sa pipeline nito (at 250 bagong rehistrasyon ng pananim noong 2022).

Ang kumpanya ay nangunguna rin sa pagsasama ng teknolohiya sa pagsasaka. Halimbawa, pinirmahan ng Bayer ang pakikipagtulungan sa Microsoft (MSFT ) upang pagsamahin ang data management system na Azur ng higanteng teknolohiya sa kadalubhasaan ng Bayer sa paggamit ng datos mula sa mga satelayt, field sensors, drone, kagamitan sa bukid, at soil sensors upang lumikha ng tunay na makabagong at konektadong mga bukid.

Pinagmulan: Bayer

Dahil sa pamumuno nito sa GMOs (tradisyonal at advanced gene editing), pagpili ng iba’t ibang uri ng halaman, at pagsasama ng big data sa pagsasaka, ang Bayer ay magiging natural na kandidato upang samahan ang proseso ng paglikha ng mga de novo na domestikadong pananim, pati na rin ang hyperspectral detection ng damo ng mga robot sa pagsasaka.