Сельское хозяйство будущего: ИИ будет разводить растения - «Технологии»

Как искусственный интеллект может повлиять на сельское хозяйство, пищевую промышленность и сферу биоинженерии? У ученых уже есть несколько идей на этот счет. Например, новый алгоритм селекции позволит создавать идеальные генотипы растений, которые выживут в любых условиях без потребности в удобрениях и специальном уходе.

В течение последних 5 лет команда из отдела биологических наук Национальной лаборатории Ок-Риджа (ORNL) изучала растения, чтобы понять генетические переменные и закономерности, которые позволяют им адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды и климату. Целью ученых было создать интегрированную дорожную карту развития ИИ в области селекции растений и биоэнергетике. Работа была представлена в журнале Trends in Biotechnology.

Ученые разработали новые способы осуществления так называемого геномного отбора. Алгоритм геномной селекции, основанный на методах машинного обучения, получил название «объяснимый ИИ» (Explainable AI). Это область, которая изучает результаты решений искусственного интеллекта, чтобы люди могли понять, как ИИ принимает решения.

Алгоритм помогает определить, какие вариации генома нужно объединить для получения растений, которые могут наилучшим образом адаптироваться к окружающей среде. Ученые получают информацию о возможных селекционных достижениях, генной модификации и нужных комбинациях генов. А от полученных данных уже зависит, какую стратегию биоинженерии нужно использовать.

В работе использовались самые мощные и умные суперкомпьютеры в мире — Titan (Cray XK7)  и Summit, которые находятся в Ок-Риджской лаборатории. Последний в прошлом году получил премию Гордона Белла за преодоление экзафлопсного барьера с помощью кода, который позволяет изучать комбинаторные взаимодействия между организмами и их средой. 

Ученые внедрили управляемый ИИ алгоритм геномного отбора в код комбинаторных показателей (CoMet) и теперь ежедневно снабжают его экологической информацией. Это дает им возможность исследовать общегеномные ассоциации по климатическим сезонам.

Также исследователи построили модели каждого квадратного километра суши на планете и закодировали в них данные об окружающей среде и климате за последние 50 лет, начиная от почвы и заканчивая спектральным составом света.

Чтобы понять все взаимосвязи между различными средами, их сравнили друг с другом, используя новый алгоритм под названием Duo, который добавили в базу кода CoMet. Это самый крупный научный расчет, который когда-либо проводился.

По словам авторов работы, эти сравнения помогут точно определить, какие генные мутации и аллели необходимо включить в геном, чтобы помочь растениям адаптироваться к различным условиям, в том числе самым неподходящим для них. 

Новый алгоритм позволит создать идеальные генотипы растений, которые процветают в неблагоприятных условиях. Это, в свою очередь, поможет нарастить производство продуктов питания, а также снизить экологическую угрозу благодаря тому, что удобрения будут использоваться редко.