明年春天，一支由美國(guó)康奈爾大學(xué)開(kāi)發(fā)的PhytoPatholoBots(PPB)機(jī)器人小軍團(tuán)將被部署到美國(guó)各地的四個(gè)葡萄育種項(xiàng)目中，執(zhí)行指導(dǎo)全球葡萄和葡萄酒行業(yè)進(jìn)入21世紀(jì)的任務(wù)。

這些自主機(jī)器人將在葡萄園中滾動(dòng)，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)來(lái)收集每個(gè)葡萄樹(shù)的生理狀態(tài)數(shù)據(jù)。通過(guò)將這些數(shù)據(jù)與十年來(lái)的葡萄育種突破相結(jié)合，康奈爾大學(xué)的研究人員正在完善PPB，使育種者和種植者能夠?qū)崟r(shí)評(píng)估他們的葡萄園--逐葉評(píng)估，直至化學(xué)水平。

應(yīng)用機(jī)器人專家 Yu Jiang(左)是綜合植物科學(xué)學(xué)院園藝系助理教授和康奈爾農(nóng)業(yè)科技大學(xué)葡萄病理學(xué)聯(lián)合首席研究員兼助理教授 Katie Gold 與 PhytoPatholobot。

PPB的推廣是在康奈爾大學(xué)一個(gè)新的四年期項(xiàng)目的第一年進(jìn)行的，該項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)家食品和農(nóng)業(yè)研究所特種作物研究計(jì)劃(NIFA-SCRI)提供1000萬(wàn)美元的全國(guó)性資助，并由明尼蘇達(dá)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)。這筆撥款擴(kuò)展了NIFA-SCRI之前資助的VitisGen1和2項(xiàng)目，這是一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)十年的合作，康奈爾大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的全國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了許多控制葡萄樹(shù)重要性狀的基因，如抗病性、抗蟲性以及水果和葡萄酒質(zhì)量。有了這些寶貴的新基因資源，全國(guó)各地的葡萄育種者已經(jīng)能夠在創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間內(nèi)用結(jié)合高質(zhì)量和高抗病性的新品種儲(chǔ)備他們的管道。

康奈爾大學(xué)的新項(xiàng)目側(cè)重于通過(guò)結(jié)合植物病理學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工智能和機(jī)器人技術(shù)將VitisGen的遺傳和技術(shù)創(chuàng)新引入葡萄園。這項(xiàng)工作對(duì)于鼓勵(lì)種植者開(kāi)始廣泛種植由VitisGen提供的新的抗病葡萄品種至關(guān)重要。今天種植的幾乎所有葡萄品種都對(duì)白粉病和霜霉病高度敏感--在過(guò)去的140年里，全世界的種植者都使用多種化學(xué)殺菌劑來(lái)管理這些疾病。

康奈爾農(nóng)業(yè)技術(shù)公司USDA-ARS葡萄遺傳學(xué)研究部門的聯(lián)合項(xiàng)目主任和研究植物病理學(xué)家Lance Cadle-Davidson說(shuō)："僅采用這些新品種就有可能減少90%的農(nóng)藥使用。現(xiàn)在，育種者已經(jīng)將自然抗病性引入即將商業(yè)化的品種中，種植者需要最新的指導(dǎo)。"

為了全面發(fā)展這一指導(dǎo)，Cadle-Davidson已經(jīng)聘請(qǐng)了康奈爾農(nóng)業(yè)科技大學(xué)葡萄病理學(xué)聯(lián)合首席研究員兼助理教授Katie Gold和綜合植物科學(xué)學(xué)院園藝科助理教授Yu Jiang擔(dān)任應(yīng)用機(jī)器人專家。該團(tuán)隊(duì)還包括VitisGen的長(zhǎng)期領(lǐng)導(dǎo)者Bruce Reisch，綜合植物科學(xué)學(xué)院園藝科的植物育種和遺傳學(xué)教授，以及合作者Qi Sun，伊薩卡的康奈爾生物信息學(xué)設(shè)施的聯(lián)合主任。

擅長(zhǎng)使用成像光譜學(xué)進(jìn)行疾病檢測(cè)的Gold將進(jìn)行田間試驗(yàn)，為VitisGen的新品種設(shè)計(jì)低投入的疾病管理方案。光譜學(xué)測(cè)量物質(zhì)如何與光和其他電磁輻射相互作用，不同類型的物質(zhì)產(chǎn)生不同的光譜特征。傳統(tǒng)的相機(jī)測(cè)量可見(jiàn)光(RGB)光譜內(nèi)的光譜特征。但是成像光譜學(xué)--最初由美國(guó)宇航局開(kāi)創(chuàng)，用于研究太陽(yáng)系--產(chǎn)生的數(shù)據(jù)涵蓋的電磁輻射范圍比人眼能看到的大七倍。

PPB在VitisGen2期間形成，在此之前，Jiang幫助Cadle-Davidson通過(guò)開(kāi)發(fā)基于人工智能的模型來(lái)檢測(cè)和量化葡萄上的白粉病和霜霉病，從而加快了在實(shí)驗(yàn)室中評(píng)估數(shù)千棵樹(shù)苗的過(guò)程。Jiang用這些模型來(lái)驅(qū)動(dòng)Cadle-Davidson的自動(dòng)表型RGB顯微鏡機(jī)器人，名為BlackBird。有了BlackBird，Cadle-Davidson的實(shí)驗(yàn)室看到他們可以評(píng)估的秧苗數(shù)量增加了60倍，并發(fā)現(xiàn)人工智能也比人類更準(zhǔn)確地量化疾病。

在這個(gè)項(xiàng)目中，Jiang正在用成像光譜儀(也稱為高光譜傳感器)擴(kuò)大PPB的范圍，將VitisGen實(shí)驗(yàn)室的那些調(diào)查擴(kuò)展到葡萄園，使育種者能夠在自然環(huán)境中對(duì)葡萄進(jìn)行表型。Gold還將使用新配備的高光譜PPB，或稱HyperPPB，在化學(xué)層面上 "觀察 "植物。她將在田間應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，在可見(jiàn)癥狀出現(xiàn)之前檢測(cè)疾病，并在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)始描述抗病性背后的機(jī)制--抗病性最終由植物的基因構(gòu)成和環(huán)境之間的復(fù)雜相互作用決定。

Gold說(shuō)："葉子的大部分真實(shí)變化是在我們看不到的波長(zhǎng)中捕獲的，這些波長(zhǎng)主要與化學(xué)和生理學(xué)相對(duì)應(yīng)。高光譜在檢測(cè)和區(qū)分抗病性和感染動(dòng)態(tài)的多面性、不那么簡(jiǎn)單的方面方面真正顯示了它的能力?！?/p>

Jiang希望將PPB機(jī)器人家族商業(yè)化，這樣種植者就可以在比以往更大的范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)疾病以及他們葡萄園中葡萄樹(shù)發(fā)展的許多其他方面。他說(shuō)，這項(xiàng)合作是跨學(xué)科研究如何加速下一代農(nóng)業(yè)食品系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的一個(gè)典型例子。

“我們正在幫助育種者瞄準(zhǔn)根本性的改進(jìn)，同時(shí)使他們能夠更迅速地對(duì)變化做出反應(yīng)，無(wú)論是否預(yù)測(cè)到?！盝iang說(shuō)。

其中許多不可預(yù)測(cè)的變化將由氣候變化引起，戈?duì)柕抡f(shuō)，這只會(huì)增加紐約州的病蟲害壓力，紐約州的病蟲害壓力已經(jīng)高于美國(guó)其他主要葡萄種植區(qū)。為了使該州150億美元的產(chǎn)業(yè)繼續(xù)蓬勃發(fā)展，種植者將不得不采用新的抗病品種和精確管理方法。

Cadle-Davidson說(shuō)：“在VitisGen的過(guò)程中，超過(guò)65名共同研究者在技術(shù)的最前沿一起工作。但是我曾經(jīng)認(rèn)為的前沿技術(shù)與凱蒂和于曉明帶來(lái)的東西相比，根本不值一提。我們現(xiàn)在能夠完成的事情將是如此令人興奮，強(qiáng)大，可能是革命性的?！?/p>