根據(jù)世界銀行的數(shù)據(jù)，到2025年，地球上將有80億人。為了維持這一人口，我們需要智慧農(nóng)業(yè)來幫助我們實(shí)現(xiàn)每公頃種植更多的糧食。視覺技術(shù)將幫助我們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

 

幾個(gè)世紀(jì)以來，農(nóng)民一直在培育口味好、耐逆、高產(chǎn)的植物品種。視覺技術(shù)的一種——下一代測(cè)序技術(shù)——利用熒光成像技術(shù)來探索和理解基因組，大大改善了育種過程�？茖W(xué)家使用諸如基因修飾和編輯之類的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)特定的性狀，例如改善口感、大小、抗性或產(chǎn)量等。

 

但是，大自然也不是善茬。育種者必須找出基因在其生長(zhǎng)環(huán)境中的表達(dá)方式。為此，他們使用表型分析來測(cè)量植物的不同部分（包括顏色、莖粗、高度和葉角等），旨在將這些性狀與植物內(nèi)的特定基因相關(guān)聯(lián)。

 

育種家根據(jù)色卡比對(duì)來確定施加氮肥的量

（Trends Plant Sci.,2019, 24, 10）

 

視覺傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)正在打破植物表型的瓶頸

 植物育種和表型并不是新鮮事。1856年一個(gè)叫孟德爾的人就通過表型闡明了遺傳學(xué)的核心問題。但遺憾的是，直到最近測(cè)量植物表型的過程仍然十分繁瑣。“目前，所有植物的特征都是由人類來衡量的，因此是主觀的”，Agricomseeds的莉亞·帕雷德斯·薩爾托斯說。

 

科學(xué)家，育種家和其他技術(shù)嫻熟的操作員用手測(cè)量植物性狀，這是一個(gè)緩慢/昂貴且不精確的過程，通常被稱為表型瓶頸。實(shí)際上，完成一個(gè)新的植物品種可能需要長(zhǎng)達(dá)10年的時(shí)間。

 

視覺技術(shù)是采集、分析、過濾（噪音）、顯示或分發(fā)視覺數(shù)據(jù)的任何技術(shù)。它通常利用計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)或人工智能。視覺數(shù)據(jù)包括圖片、視頻、熱圖像、X射線圖像、高光譜圖像、LiDAR等等。

 

令人興奮的是，視覺技術(shù)正在改變表型，打破瓶頸，驅(qū)動(dòng)我們進(jìn)入下一代植物育種。相機(jī)和傳感器技術(shù)的進(jìn)步正在通過多種成像傳感器（包括多角度、2D、3D、RGB、熒光、近紅外（NIR）、熱紅外和高光譜）實(shí)現(xiàn)更快，更可靠的室內(nèi)表型分析。

 

這些技術(shù)正在快速使表型過程自動(dòng)化，從而使育種者不僅可以獲取更快，更準(zhǔn)確的表型數(shù)據(jù)，還可以檢查不可見的植物性狀，例如葉片含水量和光合作用效率。

 

自動(dòng)化表型中使用的成像傳感器的選擇范圍從局部性狀（例如葉色和高度）到生理性狀（例如光合作用效率）

（LDV資本洞察， 2020）

 

表型的未來

育種過程在計(jì)算機(jī)上開始，其中需要對(duì)單個(gè)基因進(jìn)行分析和編輯。一旦植物開始在溫室中生長(zhǎng)，表型過程就會(huì)開始。

 

機(jī)器學(xué)習(xí)算法將這些數(shù)據(jù)與基因組數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，使育種者可以快速了解其遺傳修飾在與生長(zhǎng)環(huán)境結(jié)合時(shí)如何轉(zhuǎn)化為實(shí)際植物性狀。隨著數(shù)據(jù)可用性的增長(zhǎng)，即使在仍處于生長(zhǎng)狀態(tài)的情況下，該技術(shù)也可以使育種者更好地預(yù)測(cè)完全成熟的植物的性狀。

 

很多育種都在較大的溫室中進(jìn)行，我們已經(jīng)在部署的初始階段看到了該技術(shù)。在較小的溫室中，這里種植的種子更加專業(yè)，除軟件和數(shù)據(jù)分析流程開發(fā)外，其推廣主要取決于設(shè)備成本而不是人工成本。

 

表型的第二階段在田間進(jìn)行，可以在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下評(píng)估在戶外商業(yè)種植的植物。將自動(dòng)表型帶入現(xiàn)場(chǎng)會(huì)帶來一系列挑戰(zhàn)，包括很多的非標(biāo)準(zhǔn)化育種數(shù)據(jù)。

 

在未來五年中，我們希望看到企業(yè)家在這一領(lǐng)域繼續(xù)創(chuàng)新，并期望新興的初創(chuàng)公司將開始改善植物育種過程。在接下來的10到20年中，邊緣計(jì)算、機(jī)器人技術(shù)、無人機(jī)和遙感技術(shù)將為田間育種提供大量的表型數(shù)據(jù)。下一代測(cè)序技術(shù)（NGS）與自動(dòng)表型結(jié)合，將對(duì)價(jià)值4200億美金的全球商業(yè)種子市場(chǎng)產(chǎn)生重大影響，并幫助提供足夠的食物來養(yǎng)活全世界。

 

作者：Leah Oppenheimer，哥倫比亞商學(xué)院MBA