Цветы, перепроектированные для роботов: редактирование генов и искусственный интеллект ускоряют селекцию сельскохозяйственных культур

от

На протяжении тысячелетий создание устойчивых сельскохозяйственных культур зависело от опыления силами природы или человека, что делало процесс долгим и зачастую дорогостоящим. Теперь учёные из Института генетики и биологии развития (IGDB) Китайской академии наук переосмыслили процесс опыления, разработав новую систему, которая использует редактирование генов для создания цветов, легко поддающихся опылению роботами, управляемыми искусственным интеллектом.

Система Genome Editing with Artificial-Intelligence-based Robots (GEAIR)

Система, известная как GEAIR, решает давнюю проблему: гибридное скрещивание, включающее перекрёстное опыление между разными родительскими растениями, позволяет получать более урожайные и устойчивые культуры. Однако этот процесс требует медленного и дорогостоящего ручного труда для управления опылением, поскольку рецессивные рыльца (женские органы) и сложные цветочные структуры у таких культур, как томаты и соевые бобы, препятствовали автоматизации роботизированного опыления.

Результаты исследования были подробно описаны в журнале Cell 11 августа.

«Человеческие руки могут опылять такие цветы, но это дорого стоит», — отметил профессор Сюй Цао, автор исследования.

В одном только Китае ручное опыление составляет более 25% затрат на селекцию томатов для свежего рынка. В частности, удаление мужских частей для предотвращения самоопыления (эмаскуляция) занимает 40% этого труда. Плотно закрытые цветы сои блокируют естественное перекрёстное опыление, вынуждая прибегать к такому трудоёмкому ручному разведению, что фермеры всё ещё не могут получить более 30% прироста урожайности за счёт гибридной энергии.

Совместная разработка культур и роботов

Вдохновлённая Зелёной революцией, когда культуры были переработаны для работы с техникой, команда разработала концепцию «совместного проектирования культур и роботов» для создания культур, хорошо адаптированных к роботизированным технологиям. С помощью CRISPR-Cas9, точного инструмента для редактирования генов, они нацелились на гены класса B MADS-box, такие как GLO2 у томатов, которые регулируют развитие цветов.

Результатом стали растения, которые являются мужскостерильными (устраняя необходимость в эмаскуляции) и имеют выступающие рыльца, что облегчает доступ к ним роботов. «Мы сделали цветы более приспособленными для машин», — сказал профессор Сюй.

Специально разработанный для GEAIR робот оснащён компьютерным зрением на основе глубокого обучения, которое идентифицирует готовые к опылению цветы и использует точный манипулятор для внесения пыльцы, соответствуя эффективности человека, но работая 24/7.

Его универсальность выходит за рамки перекрёстного опыления: он может помогать при самоопылении (потенциально заменяя шмелей в контролируемых условиях), собирать пыльцу и даже отбирать мужскостерильные или фертильные растения, обнаруживая открытые рыльца, что исключает необходимость дорогостоящих ДНК-тестов.

В сочетании со скоростным селекционированием (ускорение роста за счёт продления световых циклов) и де-ново доместикацией (быстрое включение диких признаков) GEAIR сокращает сроки селекции. Команда продемонстрировала это, разработав новые линии томатов с более насыщенным вкусом и лучшей стрессоустойчивостью, и этот подход работает и для соевых бобов, что указывает на широкие возможности применения в сельском хозяйстве.

«GEAIR — это не просто инструмент, это сдвиг парадигмы», — подчеркнул профессор Сюй. «Мы переосмысливаем культуры, чтобы использовать искусственный интеллект и робототехнику, и эти технологии значительно ускоряют нашу способность создавать более качественные культуры».

Исследование подчёркивает новую эру в сельском хозяйстве: совместным проектированием растений и машин учёные прокладывают путь к более быстрой, дешёвой и устойчивой селекции сельскохозяйственных культур, что является критически важной потребностью по мере роста глобального спроса на устойчивые продовольственные системы.

Стратегия доказала свою применимость: мультиплексное редактирование генов успешно воспроизвело фенотип мужскостерильных выступающих рылец у сои, критически важной бобовой культуры в мировом масштабе. Это сигнализирует о потенциале GEAIR в широком спектре основных культур, которым мешают аналогичные морфологические ограничения при гибридном скрещивании.

Предоставлено:
Китайская академия наук.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте