人工智能和基因工程如何改变农业未来？
人工智能和基因工程如何改变农业未来？
随着全球气候变化和人口增长带来的粮食安全挑战日益严峻，农业科技创新已成为解决这一问题的关键。其中，人工智能和基因工程在农业领域的应用正展现出巨大的潜力。本文将探讨如何通过从头驯化（de novo domestication）这一创新方法，将野生杂草转化为具有抗逆性的粮食作物，并分析机器人除草技术在精准识别作物与杂草中的应用前景。
创造新的粮食作物
自农业诞生以来，人类就将野生杂草变成了驯化作物，这些作物营养成分更高、味道更好、更容易收获、种子更大。然而，粮食作物的现代育种导致了对化肥、农药和灌溉的更强反应等性状的选择，导致依赖于高投入农业系统的更加脆弱的品种。气候变化、水土流失、入侵物种和杂草给这些过度选择的作物带来了巨大的压力。
这种驯化过程也是缓慢且“盲目”的，新特征是在数十年甚至数百年的时间里随机发现和选择的。世界上大多数农作物都来自世界少数地区的少数“驯化事件”，因此还有大量可能的驯化工作有待完成。
目前，农业公司对农作物的新选择和育种程序一直侧重于为现代农作物添加抗水性或抗病虫害性等特性，但结果好坏参半。主要问题是，在野生物种中发现的许多理想性状都是多基因的，由许多基因（通常是数十个甚至数百个）产生，使得对栽培作物进行基因改造几乎不可能。
另一种选择正在出现，称为“从头驯化”。这个想法是，与其采用高产的现代作物并试图使它们像野生杂草一样具有抗性，为什么不采用已经具有抗性的野生杂草并使其与现代作物一样高产呢？
新作物和新问题
创造新的食物来源
栽培作物品种所需的性状往往不太复杂，通常仅由一个或少数基因控制。此外，这些遗传特征通常是众所周知的。因此，从头驯化方法有可能生产出新型作物，这些作物可以表现出对环境变化的抵抗力，并且具有足够好的产量和作为食物的特性。
特别是当你考虑到像 CRISPR 这样的新工具时，它可以进行非常具体和受控的基因编辑，包括添加和删除基因，或编辑现有基因的特定碱基。考虑到 CRISPR 目前已被批准用于人类基因治疗，许多国家可能会开放 CRISPR 编辑作物的法律框架。
迷失在杂草中
将杂草转变为粮食作物所带来的一个问题是，显然，新作物将与杂草非常相似。哥本哈根大学的研究人员研究了这个问题。在其中，他们承认传统的转基因杂草管理方法（除草剂抗性）是不可持续的，并且会造成太多污染。相反，他们提出可以通过基因工程来推动机器人除草技术，以创建更加环保的杂草管理系统。
当先进机器人遇见先进基因编辑
机器人除草田
可以对从头作物（以及可能改良的现有作物品种）进行修改，以使除草机器人能够轻松识别它们。这可能对农业机器人来说是一个福音，这是我们在文章中讨论的主题“投资者应注意：机器人技术正在接管农业”，我们展示了各种除草机器人：
智能视觉
Blue River 对机器视觉的最后一次使用是农业机器人公司中日益增长的趋势，其他公司也采取了相同的策略，例如视觉机器人, 埃科博特,碳机器人及艾格罗.
总体而言，他们利用了人工智能领域取得的进步，这些进步也用于自动驾驶汽车、送货机器人等。
问题是，即使是人类也很难区分某些杂草和农作物。因此，即使使用最先进的机器学习和神经网络，简单的视觉识别也很难正确识别目标。
对于从头驯化策略来说，这个问题将更加严重，改良的杂草看起来非常与原来的野生杂草相似，甚至超过了常规作物。
理论上，这些问题可以通过开发更高效或更强大的算法来解决。然而，目前还没有人知道这是否真的可行。基因改造可能会起到拯救作用。
标记从头作物
与人眼相反，机器视觉可以轻松分析各种电磁波谱，涵盖可见光 (380–780 nm)、近红外 (780–2500 nm)、中红外 (2500–25 000 nm)、和远红外（25 000–300 000 nm）范围。
当组合在一起时，这被称为“高光谱”视觉。这已经是一种用于分析农作物的技术，利用无人机或卫星的高光谱图像来检测水分胁迫、病虫害、土壤质量等问题。
新作物和基因编辑植物可以被设计成具有与其野生近亲不同的高光谱特征。然后，机器人可以利用这种差异来立即决定哪种是杂草，哪种是所需的作物。
基因工程还可以用来改变叶子的形状，使从头驯化的作物更容易识别。
这种方法的优点在于，高光谱轮廓的变化不太可能改变植物的任何环境适应性。因此，除了除草机器人之外，这种变化可能无法以任何有意义的方式检测到。
最后，高光谱图谱的变化可以通过单基因修饰来实现，并且已经在植物生物学实验室中常规进行，因此它们不需要新的技术进步：丹麦研究人员列出了至少 17 种已知的基因修饰，已知可以实现期望的结果。
最好的方法？
生物工程作物多年来一直是争论的话题。该技术最常见的用途是添加除草剂抗性特征，但这并没有使这种做法更受欢迎，因为它与除草剂使用量的增加有关，包括潜在致癌的农达。
与此同时，几乎每种栽培作物都对其野生祖先进行了大量基因改造，唯一的区别是这些差异是通过随机而不是定向突变实现的。
抗除草剂转基因生物面临的一个问题是抗除草剂杂草的传播。针对高光谱特征进行改良的作物也可能出现类似的问题。
然而，这不应影响从头驯化的前景。
这种方法可以创造出更能抵抗干旱、盐碱化、热浪、疾病和害虫的新粮食作物。
它甚至还可以让我们创造新的主粮作物（如小麦和水稻），这些作物不是一年生而是多年生的，每年都会重新生长，捕获碳并限制土壤侵蚀，例如非洲野生稻 或者新培育的多年生杂交谷物 Kernza®.