Technologia NASA może wykryć z nieba chorobę winogron winiarskich Światowe zaopatrzenie w żywność mogłoby na tym zyskać
Najnowsze badania wykazały, że najnowocześniejsza technologia obrazowania NASA może wykryć wczesne oznaki wirusa roślinnego, który, jeśli nie zostanie rozwiązany, często okazuje się niszczycielski dla winiarni i plantatorów winogron.
Chociaż przełom jest dobrą wiadomością dla branży winiarskiej i winogronowej, która traci miliardy dolarów rocznie z powodu chorób niszczących plony, może ostatecznie pomóc całemu światowemu rolnictwu.
Korzystając ze skomplikowanych zdjęć w podczerwieni wykonanych przez samolot nad Doliną Centralną w Kalifornii, badacze byli w stanie rozróżnić winorośle Cabernet Sauvignon, które zostały zakażone, ale nie wykazywały objawów – jeszcze przed momentem, w którym hodowcy mogą wykryć chorobę i zareagować.
Jak wynika z dwóch nowych artykułów naukowych, technologia ta, w połączeniu z uczeniem maszynowym i analizą w terenie, w niektórych przypadkach skutecznie zidentyfikowała zakażone rośliny z niemal 90% dokładnością.
„Po raz pierwszy w historii pokazaliśmy możliwość wykrywania chorób wirusowych w skali unoszącej się w powietrzu” – powiedziała Katie Gold, adiunkt patologii winogron na Uniwersytecie Cornell i główny badacz projektu. „Następnym krokiem jest skalowanie do przestrzeni”.
Ponieważ Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA pracuje nad wysłaniem w przestrzeń kosmiczną swojego pokładowego instrumentu do obrazowania – spektrometru znanego jako AVIRIS-NG – zespół badawczy ma nadzieję, że bardziej rutynowe zdjęcia lotnicze i dane z wystrzelonej maszyny będą mogły zostać wykorzystane do szerszego monitorowania upraw.
„Ostateczną wizją jest możliwość zrobienia tego z kosmosu – i to nie tylko w przypadku winogron, nie tylko tej jednej choroby i nie tylko kilku miejsc w Kalifornii, ale możliwość zrobienia tego dla rolników na całym świecie, dla wielu różne uprawy oraz wiele różnych chorób i szkodników” – powiedział Ryan Pavlick, technolog badań w JPL, który pracował nad projektem dotyczącym winogron.
Konsekwencje takiego przedsięwzięcia – jeśli odniesie sukces w skali globalnej – mogą „przynieść korzyści całemu systemowi żywnościowemu” – stwierdził Gold.
„Jeśli uda nam się wykryć chorobę, zanim naprawdę wymknie się spod kontroli na wczesnym etapie [and] dokonamy ukierunkowanej interwencji, będziemy mogli wówczas bardziej strategicznie wykorzystać nasze zasoby, zmniejszyć ilość chemii, którą wprowadzamy do środowiska, a także sprawić, że ogólna działalność będzie bardziej zrównoważona, zarówno z punktu widzenia ochrony środowiska, jak i finansów” – stwierdził Gold.
Mniej chorób i strat w plonach oznaczałoby bardziej ograniczone stosowanie pestycydów i użytkowanie gruntów w rolnictwie – co jest lepsze dla zdrowia ludzi i Ziemi – a także korzyści finansowe – dodała.
Pavlick powiedział jednak, że to wciąż odległa wizja i wymaga znacznie dalszych badań, zanim spektrometr wyniesie się w przestrzeń kosmiczną pod koniec tej dekady. To najnowsze badanie, skupiające się na winnicach i wirusie liściozwoju winorośli 3, czyli GLRaV-3, jest obiecującym przykładem tego, jak można wykorzystać tę potężną technologię, powiedział.
Wirus liściozwoju przenoszony jest w winnicach głównie przez endemicznego wełnowca, a gdy choroba ustąpi, jedynym leczeniem jest jej usunięcie, co według naukowców kosztuje amerykański przemysł winiarski i winogronowy około 3 miliardy dolarów rocznie.
Obecnie wirus jest wykrywany przez hodowców jedynie poprzez żmudną analizę poszczególnych winorośli i kosztowne badania molekularne, które zwykle dostarczają wyników zbyt późno, gdy wirus już zniszczył plony i rozprzestrzenił się.
„Ten problem jest niezwykle wyniszczający finansowo” – stwierdziła Stephanie Bolton, dyrektor ds. badań i edukacji w Lodi Winegrape Commission, grupie wspierającej plantatorów winorośli, która pomagała w badaniach. „Kiedy już zostanie zauważony, może być dość powszechny w całej winnicy”, pogarszając jakość winogron i czyniąc je całkowicie bezużytecznymi.
Gold powiedział, że dzieje się tak dlatego, że wirus liściozwoju ma okres utajenia wynoszący jeden rok.
„Zanim winorośl wykazuje objawy, jest zakażona już od roku i rozprzestrzenia wirusa na wszystkich swoich sąsiadów” – powiedział Gold.
Zatem znalezienie sposobu na wczesną infekcję było kluczowe – stwierdziła. Było to wyzwanie, które doprowadziło do zorganizowania w 2020 r. „winnej wycieczki” po winnicach Lodi, będącej owocem współpracy JPL i Cornell University.
Naukowcy przelecieli za pomocą AVIRIS-NG, czyli spektrometru obrazowania widzialnego/podczerwonego nowej generacji w powietrzu, opracowanego w JPL, nad około 11 000 akrów winnic w pobliżu Lodi. Spektrometr rejestruje dane z setek kanałów świetlnych, w tym tych znajdujących się daleko poza widmem widzialnym – „w ultrafiolecie i znacznie powyżej podczerwieni” – powiedział Pavlick.
Gdy maszyna przelatuje nad danym obszarem, tworzy mapę falistych linii, pełną informacji o odbiciu światła, które mogą być przydatne do takich zastosowań, jak wykrywanie wycieków metanu, mierzenie wielkości płatka śniegu lub zrozumienie biochemii roślin wegetatywnych daszek.
„Z kształtu każdej z tych falistych linii możemy wnioskować o najróżniejszych rzeczach na temat Ziemi” – powiedział Pavlick.
Korzystając z tych danych, zespół badawczy opracował i przeszkolił modele komputerowe w celu rozróżnienia infekcji, podczas gdy współpracownicy winnicy analizowali winorośl pod kątem objawów i dostarczali próbki, badając ponad 300 akrów winorośli przez dwa lata.
„Ta praca nie byłaby możliwa bez ich zaangażowania” – powiedział Gold.
Bolton z Komisji Lodi Winegrape powiedział, że lokalni plantatorzy w Lodi byli podekscytowani możliwością uczestniczenia w tej pracy.
„Tutaj rolnicy są naprawdę zaangażowani w uczenie się i rozwiązywanie swoich problemów oraz pracę zespołową” – Bolton powiedział o społeczności składającej się z około 750 hodowców, z których wielu to rodziny rolnicze. „Byliśmy podekscytowani tym potencjałem.”
Wyniki badania skupiły się wyłącznie na czerwonych winogronach, ale Gold ma nadzieję, że bezobjawowe wykrycie może pomóc w wykryciu wirusa w białych odmianach winogron, które również są dotknięte tą chorobą, ale których objawy wirusa liściozwoju mogą być trudniejsze do wykrycia.
„Naprawdę przeżywamy renesans wykorzystania teledetekcji w patologii roślin” – stwierdził Gold. „W końcu dotarliśmy do punktu, w którym możemy zrobić to, o czym marzyliśmy, czyli zatrzymać chorobę, zanim przerodzi się ona w epidemię, aby pomóc hodowcom w podejmowaniu bardziej zrównoważonych wyborów”.
Chociaż badanie zakończyło się sukcesem, Gold stwierdził, że rozszerzenie projektu o dalsze loty samolotami nad tysiącami winnic w Kalifornii i na całym świecie nie jest wykonalne logistycznie ani finansowo, dlatego ich wzrok skierowany jest w przestrzeń kosmiczną.
„Kosmos oferuje możliwość monitorowania skali produkcji” – powiedział Gold. „To nie jest coś, co jest ograniczone do jednego plantatora, ponieważ winnice graniczą ze sobą… dlatego musimy zarządzać tym na skalę społeczności regionalnej. A przestrzeń daje takie możliwości, ponieważ obejmuje po prostu znacznie większy obszar”.