Фабрика по редактированию генов с искусственным интеллектом позволяет быстро выводить новые сорта растений, которые имеют лучший вкус и устойчивы к болезням, утверждают ученые. (SCMP)
Китайские ученые увеличили темпы разработки новых гибридных культур в пять раз с помощью комбинированной стратегии «дружественного к роботам» редактирования генов и робототехники, управляемой искусственным интеллектом.
Используя редактирование генов для создания растений с частями, которые были бы более доступны для роботов, исследователи позволили вывести новые поколения растений гораздо быстрее, чем при использовании ручных методов.
Комбинированная стратегия команды в области биотехнологий, искусственного интеллекта и робототехники была использована для создания интеллектуальной селекционной фабрики, которая позволила разработать новые гибридные сорта с желаемыми характеристиками, такими как лучший вкус и устойчивость к стрессам и болезням, всего за год, тогда как раньше на это могло уйти пять лет. Это также сократит дорогостоящий человеческий труд.
«Интеграция технологий искусственного интеллекта революционизирует сельскохозяйственные системы, а робототехника находит все более широкое применение в точном сельском хозяйстве», — говорится в статье, опубликованной в рецензируемом журнале Cell в понедельник.
В то время как роботы с искусственным интеллектом используются для обработки полей, прополки, распыления пестицидов, мониторинга болезней и сбора урожая, использование роботов для автоматизации селекции растений сталкивается с ограничениями.
Некоторые растения имеют цветки с выступающими рыльцами, женской репродуктивной частью цветка, которая собирает пыльцу.
Многие гибридные культуры утоплены или покрыли рыльца в результате одомашнивания, что делает необходимым использование опылителей или ручного труда для раскрытия рыльца и полного опыления.
Ручной труд также используется для кастрации или удаления частей, производящих пыльцу, чтобы предотвратить самоопыление, которое может уменьшить генетическое разнообразие.
В Китае только на ручное выхолачивание и опыление растений приходится более 25 процентов затрат на гибридную селекцию. По словам команды, стоимость ручного труда значительна для специальных культур, таких как помидоры, где большинство коммерческих семян являются гибридами.
Одним из способов преодоления этого барьера на пути к автоматизации является создание мужско-стерильных линий растений, которые не производят жизнеспособную пыльцу, с выпуклыми или выступающими рыльцами.
Используя редактирование генов, исследователи из Китайской академии наук, Шанхайского университета Цзяотун и Университета Цинхуа разработали «дружественные к роботам» мужские стерильные линии помидоров.
Их методы редактирования генов также были использованы для создания аналогичных линий сои, еще одного культивируемого растения с плотной цветочной структурой, препятствующей доступу для опыления.
«Интегрировав это с глубоким обучением и робототехникой на основе искусственного интеллекта, мы разработали робота, который автоматизирует перекрестное опыление, тем самым преодолевая ключевое узкое место в гибридной селекции и производстве семян», — говорится в сообщении команды.
Робот является первым в мире интеллектуальным роботом-разведчиком, способным к автономному патрулированию и перекрестному опылению, говорится в статье, опубликованной академией.
Команда разработала модель глубокой нейронной сети для обучения GEAIR (редактирование генома с помощью робота на основе искусственного интеллекта) определять, какие цветы ему нужно оплодотворить.
Используя тысячи изображений для обучения, их модель достигла 85-процентной точности обнаружения цветов, готовых к опылению. Как только робот обнаруживает цветы, он может оценить 3D-расположение рыльца и выполнить опыление.
Опыление одного цветка занимает около 15 секунд, что в три раза быстрее, чем ручное опыление.
Они проверили эффективность своего робота в коммерческой теплице для выращивания томатов и обнаружили, что роботизированное перекрестное опыление достигло показателя успешности опыления около 78 процентов, по сравнению с примерно 92 процентами при ручном управлении.
«Несмотря на более низкий уровень успеха здесь, способность GEIAR выполнять рутинное, непрерывное и автоматизированное опыление превосходит человеческие возможности по эффективности и последовательности», — говорят исследователи.
Коммерческая селекция растений со временем может привести к потере генетического разнообразия. Восстановление генетического разнообразия и внедрение желаемых черт часто включает в себя трудоемкий процесс скрещивания с родственными дикими видами.
Одомашнивание de novo, или быстрая модификация диких видов для выведения новых сортов, может сочетаться с методами быстрой селекции, чтобы получить несколько поколений растений в течение года, если их оптимизировать.
Это оказалось сложным для гибридной селекции, поскольку насекомые-опылители испытывают проблемы с навигацией под светодиодным освещением, используемым для контроля условий освещения, в то время как ручное опыление обходится дорого.
Команда применила свою роботизированную систему к диким видам томатов, обеспечив смену пяти поколений в год. В результате этого процесса была выведена родительская линия с солево-щелочной устойчивостью и более насыщенным вкусом, которая может быть использована для выведения высокоценных сортов сельскохозяйственных культур.
Согласно статье, интеллектуальный процесс селекции команды смог сократить разведение и использование диких видов для нового гибридного разведения с «пяти лет до всего одного года».
«Это подтверждает, что интеграция GEAIR, de novo одомашнивания и скоростной селекции имеет потенциал для ускорения разработки превосходных сортов при снижении затрат ресурсов в ограниченных пространствах», — пишет команда.
«Он служит моделью того, как биотехнологии могут быть использованы для быстрого проектирования и создания благоприятных для искусственного интеллекта признаков сельскохозяйственных культур, адаптированных к потребностям точного земледелия».
Виктория Бела
