NASA допомагає виявити хворобу винного винограду з неба

У дослідженні вчені виявили дорогу інфекцію у виноградних лозах сорту Каберне Совіньйон до того, як у них з’явилися симптоми, видимі людському оку. Цвіль, що в’яне, бактерії, що викликають гниття коренів, віруси та інші патогени рослин щороку знищують приблизно 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 помітити приховані ознаки хвороби винограду, яка щорічно завдає шкоди врожаю на мільярди доларів. Техніка дистанційного зондування може допомогти в наземному моніторингу цієї та інших культур.

У двох нових дослідженнях дослідники з JPL і Корнельського університету зосередилися на вірусному захворюванні під назвою GLRaV-3 (скорочення від grapevine leafroll-associated virus complex 3). Поширюючись переважно комахами, GLRaV-3 знижує врожайність і погіршує розвиток плодів, що коштує виноробній та виноградній промисловості США близько 3 мільярдів доларів щорічних збитків. Зазвичай його виявляють за допомогою трудомісткого аналізу лози за лозою та дорогого молекулярного тестування.

Дослідницька група хотіла з’ясувати, чи зможуть вони допомогти виробникам виявляти інфекції GLRaV-3 на ранній стадії та з повітря за допомогою машинного навчання та спектрометра NASA нового покоління у видимій/інфрачервоній області зображення (AVIRIS- NG). Оптичний датчик приладу, який фіксує взаємодію сонячного світла з хімічними зв’язками, використовувався для вимірювання та моніторингу таких небезпек, як лісові пожежі, розливи нафти, парникові гази та забруднення повітря, пов’язане з виверженнями вулканів.

Дрон зафіксував повідомлення вдячності, написане серед виноградної лози особами з виноробної промисловості, які співпрацювали в дослідженні виявлення патогенів у регіоні Лоді, Каліфорнія.Авторство: Аарон Ланге/Виноградна комісія Лоді

Саме під час кампанії 2020 року з картографування джерела метану в Каліфорнії лікар-патолог Кеті Голд і її команда скористалися нагодою, щоб поставити інше запитання: чи може AVIRIS-NG виявити приховану інфекцію врожаю в одному з найважливіших регіонів штату, де вирощують виноград? ?

«Як і люди, хворі рослини можуть не проявляти зовнішніх симптомів відразу, що робить раннє виявлення найбільшою проблемою, з якою стикаються виробники», — сказав Голд, доцент Корнельського університету та старший автор нових досліджень. У випадку вірусу скручування листя виноградної лози може пройти до року, перш ніж на лозі з’являться характерні ознаки зараження, такі як зміна кольору листя та низькорослі плоди. Однак на клітинному рівні стрес вже почався ще до того, змінюючи спосіб взаємодії сонячного світла з рослинною тканиною.

Повітряна перевага

Встановлений у череві дослідницького літака AVIRIS-NG спостерігав приблизно 11 000 акрів виноградників у Лоді, Каліфорнія. Регіон, розташований у серці Каліфорнійської Центральної долини, є основним виробником преміального винограду штату.

Команда впровадила спостереження в комп’ютерні моделі, які вони розробили та навчили розрізняти інфекції. Щоб перевірити результати, співробітники промисловості обстежили понад 300 акрів виноградників на наявність видимих ​​симптомів вірусу, збираючи зразки виноградної лози для молекулярного тестування.

Голд зазначив, що це був трудомісткий процес, проведений під час каліфорнійської спеки. «Без наполегливої ​​роботи виробників, співробітників промисловості та скаутських команд нічого з того, що ми досягли, було б неможливим», — сказала вона. Подібні зусилля будуть продовжені в рамках консорціуму NASA Acres, провідним науковцем якого є Голд.

Дослідники виявили, що вони змогли відрізнити неінфіковані та інфіковані лози як до, так і після того, як у них з’явилися симптоми, при цьому найкращі моделі досягли 87% точності. Успішне раннє виявлення GLRaV-3 може допомогти виробникам винограду попередити про втручання протягом року.

У додатковій статті дослідники сказали, що їх тематичне дослідження показує, як нові можливості в повітрі та космосі можуть підтримувати зусилля з наземного спостереження за патогенами. Ці можливості включають майбутні місії, як-от NASA Surface Biology and Geology (SBG) – частину парку місій, які складатимуть Обсерваторію Земної системи 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 провідний автор обох досліджень, зазначив, що стійкі методи ведення сільського господарства важливіші, ніж будь-коли, в умовах зміни клімату. «Я вважаю, що зараз цікаві часи для дистанційного зондування та виявлення хвороб рослин», — сказав він. «Масштабовані рішення можуть допомогти виробникам приймати керовані даними рішення щодо сталого вирощування врожаю».

«Те, що ми зробили в цьому дослідженні, спрямоване на одну хворобу в одній області Каліфорнії», — сказав співавтор Раян Павлік, технолог-дослідник з JPL. «Основне бачення, яке ми маємо, — це можливість зробити це по всій планеті для багатьох хвороб сільськогосподарських культур і для виробників у всьому світі». Джерело