Инновационный способ отбора жаростойких растений

6 сентября 2022

Изменение климата создает серьезные проблемы для селекционеров. Интеллектуальный полевой робот и рентгеновская технология помогают им выбирать жаростойкие образцы растений для отбора. Датчики в высокотехнологичной машине были разработаны Центром развития рентгеновской технологии Фраунгофера, подразделением Института интегральных схем Фраунгофера IIS, сообщает портал Phys.org.

Лето становится все жарче. Только этим летом в Германии была сильная жара с температурой до 40 °C. Засуха также затронула растения.

При достаточном запасе воды растения могут охлаждаться за счет испарения. Однако они не могут этого сделать, когда испытывают стресс от засухи. Вот почему селекционеры надеются вывести жаростойкие, устойчивые к засухе растения, которые могут выживать при меньшем количестве воды и при этом давать хороший урожай, требуя при этом минимально возможное количество удобрений и пестицидов.

Селекционеры получают поддержку от исследователей из Fraunhofer EZRT, где в течение многих лет проводились исследования технологий определения фенотипов растений. Это относится к их внешнему виду, который включает в себя множество факторов, таких как размер листьев, их расположение, толщина корней и урожайность. «Люди тысячелетиями выбирали культуры на основе внешних характеристик», — объясняет доктор Штефан Герт, руководитель отдела AMS Центра развития рентгеновской технологии Фраунгофера. — Мы разрабатываем технологии для объективного измерения этих характеристик фенотипа и оптимизации селекции на основе этих данных».

Исследовательская группа под руководством доктора Герта разработала DeBiFix, полевой робот для сельского хозяйства. Он способен непрерывно делать рентгеновские снимки растений. В то же время он генерирует 3D-изображения с помощью оптической системы. Это важная информация для селекционера — это позволяет ему, по сути, заглянуть внутрь колосьев пшеницы или под куст картофеля и определить, дает ли сорт, который они выращивают, хороший урожай.

Важнейшей целью межрегионального проекта Fraunhofer smart farming project является поддержка селекционеров. В его рамках в Трисдорфе, Бавария, открывается Центр технологий фенотипирования растений Фраунгофера. В этом месте доктор Герт и его коллеги намерены развивать опыт и применять его в реальной жизни. 

В лабораторном кабинете для фенотипирования растений в условиях с контролируемым климатом в Fraunhofer EZRT в Фюрте доктор Герт демонстрирует, как селекционеры будут работать в будущем. На узкой ленте транспортера перед рентгеновской установкой аккуратными рядами расставлены горшки с различными культурными растениями. Дверца рентгеновского аппарата открывается, и внутрь въезжает горшок. Как только дверца закрывается, горшок проходит компьютерную томографию.

«Более десяти лет назад мы начали просвечивать растения картофеля рентгеновскими лучами, чтобы получить информацию о росте клубней», — сообщает доктор Герт. — Основываясь на 3D-рентгеновских снимках, мы можем определить вес клубней, не выкапывая их». Этот процесс используется для таких задач, как отбор особенно жароустойчивых сортов. С этой целью растения помещают в лабораторию в условиях теплового стресса. Затем сканирование показывает, какие растения наиболее эффективно справляются со стрессом, формируя крепкие клубни, несмотря на жару.

В то время как с помощью первой компьютерной томографии можно было просвечивать только толстые корни и клубни, новые системы могут также улавливать тонкую подземную структуру корней пшеницы. «Наш новый рентгеновский аппарат — это самая современная и мощная система для просвечивания частей растений под землей», — говорит доктор Герт.

Исследователи из Fraunhofer EZRT также проводят 3D-цифровую визуализацию частей растений, которые находятся над землей, таких как листья и колосья пшеницы. Эти данные могут быть использованы не только для определения площади листовой поверхности — 3D-изображения также предоставляют информацию о жароустойчивости растения. Поднимает ли растение листья, чтобы защититься от солнца? Сворачиваются ли листья из-за стресса?

Эффективность оптических систем распознавания растений Fraunhofer EZRT была наглядно продемонстрирована на испытательном поле семеноводческой компании Strube D& S GmbH. В этом случае был использован второй прототип BlueBob — полевого робота, который самостоятельно перемещается и автоматически удаляет сорняки на полях сахарной свеклы. Перемещаясь между рядами, он записывает изображения всех живых растений с помощью мультиспектральных камер.

«С помощью искусственного интеллекта анализируется фенотип каждого отдельного растения и классифицируется либо как сорняк, либо как растение свеклы», — объясняет Кристиан Хюгель, глава Технического центра исследований семян в Штрубе. 

Одним из основных направлений работы в новом центре в Трисдорфе будет обработка данных, полученных в ходе фенотипирования. «Наша главная цель — использовать нашу технологию для поддержки мелких и средних селекционеров растений«, — подчеркивает доктор Герт.