農(nóng)作物科學(xué)家希望改變辛苦的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法

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10年前，一些農(nóng)作物科學(xué)家以同樣的方式種植了同樣的植物。他們種植了相同的品種，遵循嚴(yán)格的生長(zhǎng)機(jī)制，但收獲的植物形形色色，葉子大小、外皮細(xì)胞密度和代謝能力都各不相同。光照水平和植物處理方面的微小差異使植物的物理性狀或表型組發(fā)生了巨大變化。

雖然基因組測(cè)序價(jià)格暴跌，檢驗(yàn)植物的生物指示更容易了，但對(duì)于植物是如何在特定環(huán)境中遵循這些指示的，研究人員的了解卻較為滯后。荷蘭斯赫拉芬贊德的PhenoKey公司的業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)巴斯?范?艾爾特（BasvanEerdt）表示：“對(duì)許多育種工作者來(lái)說(shuō)，主要瓶頸是獲得與遺傳能力相一致的表型評(píng)價(jià)。”

育種工作者希望能夠通過(guò)觀察作物的生長(zhǎng)情況，了解一種植物（最好是一種作物）是否正常生長(zhǎng)，以及它如何對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件做出反應(yīng)。現(xiàn)在，隨著價(jià)格更低廉的傳感器和更強(qiáng)大的人工智能算法的出現(xiàn)，研究人員正在逐步接近這一目標(biāo)。他們希望作物年產(chǎn)量提高1.3%能成為像摩爾定律一樣的規(guī)律。

這項(xiàng)工作的主要技術(shù)仍然是光學(xué)成像。研究人員正在開(kāi)發(fā)軟件，使種植者能夠使用智能手機(jī)攝像頭來(lái)量化作物的某些表型。他們還將一系列航空航天和生物醫(yī)學(xué)物理領(lǐng)域的精密成像技術(shù)應(yīng)用到該領(lǐng)域。北卡羅來(lái)納州和荷蘭的育種工作者正在使用無(wú)人機(jī)和配有高光譜、熒光燈和層析成像傳感器的溫室來(lái)量化作物的更多表型組。

高光譜成像可以提示潛在的昆蟲(chóng)危害。磁共振成像（MRI）可以檢測(cè)種子吸收水分時(shí)的微小水滴，在種子發(fā)芽和其他生長(zhǎng)階段對(duì)其進(jìn)行追蹤。正電子發(fā)射斷層掃描（PET）可以讓研究人員透過(guò)土壤觀察到花的球莖，并使植物根系的布局可視化。

2005年至2015年，歐盟在植物表型研究基礎(chǔ)設(shè)施方面花費(fèi)了2.5億歐元（約3億美元），美國(guó)農(nóng)作物巨頭和政府機(jī)構(gòu)以及先正達(dá)、拜耳等主要的育種公司在該研究上的花費(fèi)也高達(dá)數(shù)百萬(wàn)。

這株植物被噴灑了除草劑，其葉子沒(méi)有明顯的損傷。但測(cè)量葉綠素?zé)晒獾膾呙杞Y(jié)果表明，該植物進(jìn)行光合作用的能力已經(jīng)受到影響。

以往，評(píng)估一個(gè)新的作物品種需要育種人員觀察試驗(yàn)田中的每一株植物，做詳細(xì)的記錄，并針對(duì)下一輪育種對(duì)所有植物進(jìn)行分級(jí)。“這實(shí)際上是我們所做的試驗(yàn)中的限制因素，”荷蘭瓦赫寧根大學(xué)及研究中心的機(jī)器人專家、業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)人員里克?范?德?澤德（RickvandeZedde）說(shuō)，“成本不是最大的問(wèn)題，關(guān)鍵是需要大量的時(shí)間。”

相反，PhenoKey對(duì)數(shù)千張?jiān)囼?yàn)作物的圖片進(jìn)行注釋，通過(guò)添加標(biāo)簽來(lái)識(shí)別花蕾數(shù)量和葉子形狀等特征。該公司利用這些注釋訓(xùn)練其人工智能軟件識(shí)別特定植物的特征。范?艾爾特說(shuō)，幾年前他曾提出一個(gè)案例，一家育種公司花費(fèi)了不到50人工時(shí)就改進(jìn)了圖像分析算法，使其能夠在滿是植物的溫室中檢測(cè)蘭花芽，準(zhǔn)確率高達(dá)95%，所花費(fèi)的時(shí)間大約是人工檢測(cè)這些植物所需時(shí)間的1/20。

2018年，范?德?澤德獲得了2200萬(wàn)歐元的資金，用于建立新的荷蘭國(guó)家表型研究設(shè)施，此類設(shè)施全球?yàn)閿?shù)不多，但總數(shù)量也在逐漸增加。

范?艾爾特表示，最終目標(biāo)是將自動(dòng)表型與基因組自動(dòng)篩選結(jié)合起來(lái)。他說(shuō)：“如果你對(duì)你的基因組的工作原理有深入的了解，并且有一個(gè)預(yù)測(cè)表型結(jié)果的模型，那么理論上，你就有可能預(yù)測(cè)出你的作物會(huì)是什么樣子。”