Чи може штучний інтелект стати добрим помічником рослин, щоб допомогти годувати світ?

З допомогою штучного інтелекту та великих даних вчені розширюють дослідження у сфері декодування складного світу геномів рослин для створення нових методів селекції рослин, які можуть революціонізувати питання харчової безпеки та адаптації до зміни клімату.

Стебло пшениці, стебло цукрової тростини. Для більшості з нас це просто сировина для деяких наших улюблених продуктів, але для вчених це складна головоломка, яку потрібно вирішити, щоб розблокувати секрети, які дозволять вирощувати більше їжі з меншим шкідливим впливом на навколишнє середовище, селекціонувати нові джерела біопалива у великих масштабах та допомогти людям жити довше і здоровіше. Ці секрети заховані у геномі рослин, а з допомогою сучасних інструментів штучного інтелекту вчені починають відкривати ці секрети.

Спроможність штучного інтелекту аналізувати великі обсяги даних відкриває двері до вирішення проблем кращого розуміння геномів рослин. Це розуміння взаємодії між генетичними елементами, присутніми у рослинах, та різними функціями може допомогти дослідникам розробити більш стійкі сорти рослин, які зможуть краще протистояти біотичним і абіотичним стресам, таким як зміни клімату, зараження шкідниками та стійкість до пестицидів.

Геноми рослин, навіть у “простих” рослин, таких як цукрова тростина, значно більші, ніж геноми людини чи тварин, і еволюціонували протягом набагато довшого періоду, ніж інші форми життя. Рослини поліплоїдні – тобто у них наявні дублікати генів або цілих геномів, і захоплення взаємодії між генами та алелями з різних пloidів є викликом, оскільки деякі з цих пloidів можуть представляти орфанські гени старих сортів рослин, які зараз не активні.

Дослідники намагаються ідентифікувати одиночні нуклеотидні поліморфізми (спільні послідовності ДНК), які вони можуть використовувати для розуміння того, як рослини функціонують і взаємодіють з навколишнім середовищем. Як тільки це буде зроблено, дослідники зможуть краще зрозуміти функцію кожного гена і використовувати цю інформацію для селекції рослин, які можуть бути адаптовані до потреб людини. Таким чином, якщо дослідники хочуть розробити сорт пшениці, який можна вирощувати у більш посушливих районах, вони спробують ідентифікувати гени у пшениці, які дозволять рослині розвиватися повністю, навіть при нестачі води. Не всі зразки, ймовірно, будуть містити цей ген, оскільки він може бути орфанським і зараз неактивним геном, який був частиною поліплоїдного геному. Штучний інтелект може проаналізувати ген і його взаємодію з навколишнім середовищем, надаючи вказівки на неповністю використаний генетичний потенціал для досягнення цієї мети за допомогою стратегій селекції, розроблених штучним інтелектом.

Хоча це дослідження може бути використане для маніпулювання сортами рослин, така генетична інженерія далеко не єдиний спосіб, яким дослідники можуть розробити сорти культур, які мають бажані якості. Люди століттями селекціонують сорти культур. Штучний інтелект може бути корисним і тут – ідентифікація сортів для селекції, які мають найбільшу сумісність і найбільш ймовірно дадуть бажаний результат.

Крім того, системи штучного інтелекту можуть допомогти передбачити, який метод селекції – гібридизація, широке схрещування, подвійне хромосомне розщеплення – буде найбільш ефективним. З глибокими генетичними знаннями про рослини дослідники можуть далі використовувати штучний інтелект для підбору генів з оптимальними середовищами, у яких вони найбільш ймовірно процвітатимуть. Це може привести до культур, які можуть витримувати подовжений період росту або бути висаджені у районах, які раніше не могли їх утримувати, збільшуючи тим самим запас їжі для все більш чисельного і голодного населення. Можна розробити більш стійкі сорти – більш здатні протистояти руйнівним впливам зміни клімату або розвиватися навіть у районах, де відбулася урбанізація чи пустинифікація.

Генетична інформація про рослини також може бути використана для допомоги у селекції сортів культур, які будуть більш стійкими до конкретних шкідників або хвороб. Штучний інтелект може ідентифікувати ознаки рослин, які найбільш привабливі для комах або шкідників – запах, колір тощо – і дозволити дослідникам розробити гени, які зменшать привабливість цих рослин для шкідників. Це може привести до зменшення використання пестицидів, розробки більш екологічно чистих пестицидів, призначених для конкретних рослин у конкретних регіонах, або甚至 індивідуальних ферм – типу “персоналізованого сільського господарства”, яке є безпечнішим, чистішим і більш екологічним.

До появи сучасних можливостей штучного інтелекту ідентифікація геномів рослин була майже неможливою, але тепер, коли вони були ідентифіковані, розуміння їхньої роботи без сучасних технологій штучного інтелекту, таких як машинне навчання, є неможливим. З наявними інструментами дослідники зможуть краще зрозуміти рослини і розробити нові та кращі методи для допомоги рослинам у справі процвітання у умовах змін навколишнього середовища, забруднення, урбанізації та інших питань, які впливають на ростові процеси рослин та їхню якість. З допомогою сучасного машинного навчання дослідники зможуть розгадати секрети, які ховаються у рослинах, і використовувати ці секрети для створення кращого майбутнього для людства.