НАСА допомагає виявити хворобу винного винограду з неба
У ході тематичного дослідження вчені виявили інфекцію на виноградних лозах каберне-совіньйон до того, як у них з'явилися симптоми, видимі людині.
Зів'яла пліснява, бактерії, що спричиняють гниття коренів, віруси та інші патогени рослин щорічно знищують від 15% до 30% світового врожаю. Раннє виявлення може зробити різницю між невдалим урожаєм і таким, що піддається лікуванню.
Використовуючи бортовий науковий прилад, розроблений у Лабораторії реактивного руху НАСА в Південній Каліфорнії, дослідники виявили, що вони можуть точно виявляти приховані ознаки хвороби винограду, яка завдає щорічної шкоди врожаю на мільярди доларів. Метод дистанційного зондування може допомогти в наземному моніторингу цієї та інших культур.
У парі нових досліджень дослідники з JPL і Корнельського університету зосередилися на вірусному захворюванні, званому GLRaV-3 (скорочення від вірусного комплексу 3, пов'язаного з листям виноградної лози). Поширюваний переважно комахами, GLRaV-3 знижує врожайність і псує плоди, які розвиваються, щорічно завдаючи збитків і збитків виноробній і виноградній промисловості США приблизно в 3 мільярди доларів. Як правило, його виявляють шляхом трудомісткого дослідження кожної лози і дорогого молекулярного тестування.
Перше дослідження опубліковано в Phytopathology .
Дослідницька група хотіла подивитися, чи зможуть вони допомогти виробникам виявляти інфекції GLRaV-3 на ранній стадії та з повітря, використовуючи машинне навчання та спектрометр НАСА для візуалізації у видимій та інфрачервоній області спектра нового покоління (AVIRIS-NG). Оптичний датчик приладу, який реєструє взаємодію сонячного світла з хімічними зв'язками, використовували для вимірювання та моніторингу таких небезпек, як лісові пожежі, розливи нафти, парникові гази та забруднення повітря, пов'язане з виверженнями вулканів.
Саме під час кампанії 2020 року з картування витоків метану в Каліфорнії патологиня рослин докторка Кеті Голд та її команда скористалися можливістю поставити інше запитання: чи може AVIRIS-NG виявити приховану інфекцію сільськогосподарських культур в одному з найважливіших виноградарських регіонів штату. ?
"Як і люди, хворі рослини можуть не одразу проявляти зовнішні симптоми, що робить раннє виявлення найбільшою проблемою, з якою стикаються виробники", - сказав Голд, доцент Корнельського університету і старший автор нових досліджень. У разі вірусу скручування листя виноградної лози може пройти до року, перш ніж на лозі з'являться явні ознаки інфекції, як-от знебарвлення листя і в'ялі плоди. Проте на клітинному рівні стрес уже проявляється раніше, змінюючи те, як сонячне світло взаємодіє з тканинами рослин.
Перевага в повітрі
Встановлений у череві дослідницького літака, AVIRIS-NG оглянув приблизно 11 000 акрів виноградників у Лоді, Каліфорнія. Цей регіон, розташований у самому серці Центральної долини Каліфорнії, є великим виробником високоякісного винограду штату.
Команда ввела спостереження в комп'ютерні моделі, які вони розробили і навчили розрізняти інфекцію. Щоб допомогти перевірити результати, співробітники галузі досліджували понад 300 акрів виноградників із землі на наявність видимих вірусних симптомів, збираючи зразки лози для молекулярного тестування.
Голд зазначив, що це був трудомісткий процес, розпочатий під час сильної спеки в Каліфорнії.
"Без важкої роботи виробників, співробітників галузі та команд скаутів нічого з того, чого ми досягли, було б неможливо", - сказала вона. Аналогічні зусилля будуть продовжені в рамках консорціуму NASA Acres Consortium, в якому Голд є провідним ученим.
Дослідники виявили, що вони змогли диференціювати незаражені та заражені лози як до, так і після того, як у них з'явилися симптоми, при цьому найефективніші моделі досягли точності 87%. Успішне раннє виявлення GLRaV-3 може допомогти виноградарям попередити про втручання за рік.
У додатковій статті, опублікованій у Журналі геофізичних досліджень: біогеонауки, дослідники заявили, що їхнє тематичне дослідження показує, як нові можливості в повітрі та космосі можуть підтримувати зусилля з наземного спостереження за патогенами. Ці можливості включають в себе майбутні місії, такі як "Наземна біологія і геологія" (SBG) - частина флоту місій, які складуть обсерваторію системи Землі агентства. Вони сказали, що SBG надасть дані, які можна буде використовувати в поєднанні з машинним навчанням для прийняття сільськогосподарських рішень у глобальному масштабі.
Фернандо Ромеро Гальван, докторант і автор обох досліджень, зазначив, що стійкі методи ведення сільського господарства як ніколи важливі перед обличчям зміни клімату.
"Я думаю, що це захоплюючий час для дистанційного зондування і виявлення хвороб рослин", - сказав він. "Масштабовані рішення можуть допомогти виробникам приймати обґрунтовані рішення щодо управління культурами на основі даних".
"Те, що ми зробили з цим дослідженням, націлене на одну область Каліфорнії для одного захворювання", - сказав співавтор Раян Павлік, технолог-дослідник з JPL. "Кінцеве бачення, яке у нас є, полягає в тому, щоб зробити це по всій планеті для багатьох хвороб сільськогосподарських культур і для виробників у всьому світі".
Також читайте: