Jutikliais pagrįstos technologijos praverčia ir augalų selekcijoje, ir tikslesnėms derliaus prognozėms gauti. Kaip tai panaudojama?

Kuriant naujas augalų veisles, kurios geriau prisitaikytų prie kintančio klimato, reikia inovatyvių įrankių, greičiau ir tiksliau įvertinančių augalus ir jų savybes, kitaip tariant, fenotipą. Tam pasitelkiamos požymių skalės, balai arba naudojami rankiniai matavimo įrankiai su skaitinėmis reikšmėmis, pavyzdžiui, chlorofilo (SPAD) ar pasėlių būklės (NDVI) matuokliai.

Yra ir kitų itin tikslių fenotipavimo metodų, tačiau juos naudojant dažniausiai reikia augalą iškasti ar nupjauti jo antžemines ar požemines dalis. Žemės ūkio augalų derliaus tyrimai dažniausiai atliekami būtent tokiais metodais, kai sulaukus augalų brandos nuimamas sėklų ar vegetatyvinių dalių derlius, įvertinamas jo kiekis ir kokybė. 

Šis tyrėjo darbas yra varginantis, reikalauja daug laiko, pastangų ir išteklių, kadangi reikia įvertinti daugybę skirtingų laukelių ar didelius laukus. Tokiuose tyrimuose neretai susiduriama ir su žmogiškojo veiksnio problema, pavyzdžiui, jeigu augalai auginami skirtingose vietovėse ar net šalyse, eksperimento rezultatams įtakos gali turėti ir vertintojų subjektyvumas. 

Didelės gebos fenotipavimo įrankiai

Nuotolinio stebėjimo ir didelio našumo augalų fenotipavimo įrankiai (angl. high-throughput plant phenotyping, HTTP) užtikrina tikslesį ir nešališką augalų fenotipavimą. Jie yra nuosaikūs augalams, t. y. augalų nereikia iškasti, nupjauti ar kitaip žaloti, norint išmatuoti ir įvertinti jų požymius ar savybes.

Kai kurie fenotipavimo įrenginiai gali dirbti ant žemės, nustatydami augalų savybes kelių metrų aukštyje, kiti matuoja augalus būdami ore, pavyzdžiui, bepilotės skraidyklės, įvairių tipų pilotuojami lėktuvai arba net dirbtiniai žemės palydovai. 

Atsižvelgiant į tai, kokiame aukštyje dirba prietaisai, gaunama skirtingos raiškos vaizdinė ir spektrinė informacija. Taigi, prieš renkantis augalų fenotipavimo įrankį, reikia žinoti, kokios raiškos duomenis jis geba generuoti ir kokių duomenų reikia tolesnei analizei, nes tai lemia galutinių išvadų ar prognozių tikslumą. 

Jutikliai, kurie yra prikabinami ar integruoti į fenotipavimo mašinas, kitus įrankius, fiksuoja atspindėtą nuo augalijos ar augalo šviesą, temperatūrą, garsą ir kt., toliau ją perversdami (konvertuodami) į skaitmeninę reikšmę.

Dabarties žemės ūkyje dažniausiai naudojami fenotipavimo įrenginiai, kurie analizuoja pagrindines tris, ir žmogaus akių receptoriais aptinkamas spalvas: raudoną (Red), žalią (Green) ir mėlyną (Blue) (RGB). Paprasčiausias ir dažniausiai naudojamas tokių įrenginių pavyzdys yra fotokameros mūsų mobiliuosiuose telefonuose. 

Dalis fenotipavimo įrenginių vaizdo duomenis generuoja naudodami artimos infraraudonosios šviesos (NIR), multispektrinius ir net hiperspektrinius jutiklius. Šie jutikliai aptinka spinduliuotę įvairiame elektromagnetinio spektro ar bangos ilgio diapazone ir fiksuoja skirtingą spektrų skaičių. Pavyzdžiui, paprasta fotokamera fiksuoja regimame šviesos spektre apimantį bangos diapazoną nuo 400 iki 700 nm, o multispektrinė kamera – iki šešių spektrų, papildomai apimdama ir infraraudonųjų spindulių spektro dalį nuo 400 iki 1200 nm. 

Fenotipavimo platformose gali būti integruoti jutikliai augalijos ar žemės paviršiaus temperatūrai fiksuoti, jie generuoja elektrinį signalą (įtampą arba varžą), proporcingą temperatūrai. 

LiDAR jutikliai naudoja lazerio spindulius, kai įrenginyje fiksuojamas laikas, reikalingas išspinduliuoti ir susigrąžinti jo šviesą. Tokiais įrenginiais galima nesunkiai išmatuoti, pavyzdžiui, augalų tankį ir augalų aukštį. 

Tinkamai pasirinkus ar sukonstravus fenotipavimo sistemą, galima nuotoliniu būdu ilgą laiką stebėti augalų ar viso pasėlio pokyčius, nenupjaunant jo, o leidžiant natūraliai augti ir vystytis.

Nuotr. kairėje viršuje – dirvožemio drėgmės matavimas DELTA-T įrankiu; kairėje apačioje – chlorofilo kiekio matavimas SPAD įrankiu, centre ir dešinėje – įvairių žolių ir javų metabolitų, šaknų ir antžeminės biomasės mėginių rinkimas

Galimybė įvertinti daug požymių

Pasitelkus jutiklius gali būti įvertinti augalo biofiziniai požymiai (biomasė, aukštis, lapų ploto indeksas, vaisių ir sėklų dydis, forma, spalva), biocheminiai (chlorofilo, vandens ar azoto kiekis) ir fiziologiniai bruožai (fotosintezė, kvėpavimas, atsparumas stresams), ligų ar kenkėjų pasireiškimas ir progresavimas. 

Net iš fotonuotraukų, gautų mobiliuoju telefonu ar fotokamera, panaudoję nemokamas vaizdų apdorojimo programėles, galime įvertinti augalų aukštį, skaitmeninę lapų, sėklų ar vaisių biomasę, lapijos uždengimą, sėklų sudygimą, ligų pasireiškimą ir progresavimą. 

Bepiločių skraidyklių surinkta vaizdinė ar spektrinė informacija gali būti panaudoti, vertinant stichinių nelaimių padarytą žalą, sudygimą ar atžėlimą po žiemos ar pjūčių, stebint augalų augimą ir jų būklę per visą sezoną. 

Pasitelkus skaitmeninius jutiklius galima išgauti nepalyginti daugiau duomenų, nei matome akimis. Remiantis šiais duomenimis galima apskaičiuoti daugiau kaip 500 augalijos indeksų. Geriausiai žinomas ir plačiai naudojamas yra normalizuotas augmenijos skirtumo indeksas (angl. Normalized Difference Vegetation Index, NDVI), nusakantis augalų fiziologinę būseną.

Nuotolinių stebėsenos ar fenotipavimo įrankių surinkti spektriniai duomenys yra konvertuojami į augalų indeksus, kurie padeda tiksliau nustatyti derliaus potencialą, augalų atsaką į įvairias nepalankias aplinkos sąlygas, tokias kaip drėgmės stygius, temperatūros svyravimai, mažas azoto kiekis, kenkėjų ar ligų sukeltas stresas.

Stebėjimo įrankių naudojimo praktika

Lietuvos agrarinių ir miškų mokslų centre (LAMMC) fenotipuoti augalus didelio našumo jutikliais bepilotinėmis skraidyklėmis pradėta 2018 metais. Pradėjus taikyti bepilotes skraidykles su RGB jutikliu įvertinta tūkstančiai žieminių ir vasarinių kviečių selekcijos programos laukelių, siekiant atrinkti derlingiausius, atspariausius nepalankiems aplinkos veiksniams ir ligoms genotipus. 

Vėliau vykdytas tarptautinis projektas „NOBALwheat“ su Baltijos šalių ir Norvegijos partneriais – pamėginta integruoti jutikliais pagrįstą fenotipavimą į vasarinių kviečių selekcijos programas, kaip vieną iš įrankių greičiau ir efektyviau atrinkti selekcinę medžiagą. Buvo naudojamos bepilotės skraidyklės ne tik su RGB, bet ir su multispektriniu jutikliu. Tai leido įvertinti javų augimo dinamiką per vegetacijos sezoną, sukurti fenotipiniais duomenimis pagrįstus derliaus prognozavimo modelius ir atrinkti perspektyviausias kviečių linijas, augalams dar augant laukuose. Bepilotės skraidyklės pradėtos naudoti daugiamečių žolių ir skirtingų rūšių žolių mišinių biomasei įvertinti.

NDVI augalijos indekso pokytis per vegetacijos sezoną vasarinių kviečių selekciniuose laukeliuose. Vaizdai surinkti naudojant bepilotę skraidyklę su daugiaspektre kamera