В сельском хозяйстве потери урожая от болезней растений часто начинаются задолго до видимых симптомов. Пока на листьях появляются первые пятна, инфекция может уже активно развиваться, захватывая посевы. Обнаружить угрозу до появления внешних признаков помогут новые технологии, которые разрабатывают в Федеральном научном центре биологической защиты растений (ФНЦБЗР). В арсенале ученых: спороулавливатели, световые ловушки, беспилотные аппараты и другие устройства. Как эта техника поможет спасти сельскохозяйственные культуры? И почему аграрной науке нужны ИТ‑специалисты? На вопросы порталу Наука.рф ответила научный сотрудник Лаборатории фитосанитарного мониторинга агроэкосистем ФНЦБЗР Ксения Гасиян.
— Ксения, ваша научная группа разработала систему мониторинга вредителей и болезней растений. Как вообще находят инфекции у растений? Как ваша система в этом поможет?
— Дело в том, что классический фитосанитарный мониторинг основан на визуальных методах: специалист просто выходит в поле в определенные фазы развития культуры и осматривает растения, ищет внешние признаки болезней. Способы, позволяющие автоматически подсчитать количество пятен на листьях и примерно оценить развитие инфекции в посевах, конечно, есть. Но эти методы сложные. Во-первых, всегда нужен квалифицированный фитопатолог, который должен правильно диагностировать болезнь. Во-вторых, такой анализ занимает много времени и не всегда оказывается точным, особенно, если речь идет о больших площадях.
Проблема еще в том, что растение начинает проявлять симптомы, когда болезнь уже активно развивается. Заметить патоген на ранних стадиях в посевах очень сложно. Наши устройства решают эту задачу. Они ловят споры, которые продуцирует патоген (а он это делает на протяжении всего времени). По ним мы можем определить вид патогена, установить болезнь, подсчитать количество инфекционного материала и вовремя принять решение, как и в каких объемах лечить растения.
— Что входит в этот комплекс технологий?
— В нашей лаборатории мы ведем работу в нескольких направлениях под руководством ведущего научного сотрудника, кандидата биологических наук Кремнёвой Оксаны Юрьевны. Для мониторинга вредителей используем световые ловушки, а для поиска болезней растений — спороулавливающие устройства.
Среди них есть простые стационарные конструкции, такие как стойка с флюгером: в ее передней части закрепляется рамка, покрытая удерживающим составом. Установку размещают в поле. Флюгер поворачивается по направлению ветра, а споры, которые находятся в воздухе, оседают на рамку. Ее снимают, проводят идентификацию и подсчет спор фитопатогенов в лаборатории. Поскольку рамка прозрачная, осевшие на ней споры фитопатогенных грибов можно легко подсчитать под микроскопом. Рамку меняют каждую неделю, в зависимости от погодных условий. Аппарат работает без электропитания.
Есть более сложные устройства. Например, портативные приборы с аспираторами. Внутри их корпусов закреплены стекла, тоже покрытые удерживающим веществом. Воздух со спорами попадает через щелевой патрубок внутрь, к стеклу. Человек проходит с таким прибором по исследуемым участкам, а устройство собирает пробы. На одно стекло можно отобрать до десяти проб. Кроме того, некоторые из наших спороулавливающих приборов можно применять совместно с беспилотными летательными аппаратами. Это позволяет быстро обследовать посевы.
— Для диагностики нужно использовать все перечисленные устройства?
— Зависит от запроса. Их можно применять по отдельности. Под каждое устройство мы разрабатываем свою методику. Но в совокупности они работают особенно хорошо. Например, в посевах может находиться стационарное устройство, а когда фиксируется начало лёта первых спор патогенов, можно перейти к использованию портативных устройств и выявлять проблему более точечно.
— Сколько времени уходит на диагностику?
— Первое выявление спор обычно происходит за 7–10 дней до обнаружения видимых признаков развития болезни. За это время аграрии успевают применить биологические средства защиты, пока они еще эффективны. На поздних этапах бороться с инфекцией приходится только химическими методами. Так что наши технологии позволяют снизить пестицидную нагрузку и получить более качественные и экологически чистые продукты.
— Как тестировали устройства?
— Ваши технологии подходят для любых культур?
— Конкретно мое исследование связано с озимой пшеницей. Но наши устройства испытывали и на овощных культурах, в садах и виноградниках. Важно понимать, что разные растения поражают разные болезни, и у каждого возбудителя своя биология. Поэтому для каждой культуры нужны отдельные исследования. Мы планируем расширять список растений, с которыми работаем, но это не быстрый процесс.
Для озимой пшеницы методика уже разработана вплоть до интерпретации данных: по количеству спор мы можем определить степень развития болезни в посеве и сделать прогноз на недели вперед. Для других культур мы только подходим к этой работе.
— На какой стадии находится ваш проект?
— Все исследования завершены, устройства готовы к применению. Мы намерены масштабировать технологию, в том числе выпустить к ней методические рекомендации, занимаемся рекламным продвижением. В части разработки планируем полностью автоматизировать процесс и перевести анализ в цифровой формат. На практике это очень удобно: устройства проводят анализ в автономном режиме, а на сервер приходит готовый отчет о ситуации в посевах.
— Как будет выглядеть такая автоматизированная система по итогу?
— Первый этап, который мы уже автоматизировали — подсчет и идентификация спор. Раньше это делалось вручную: специалист сидел за микроскопом и определял виды опасных микроорганизмов. Теперь система справляется сама, правда, пока только с пшеничными патогенами. Но наша работа в этом направлении уже ускорилась.
В дальнейшем мы хотим сделать так, чтобы устройство самостоятельно подсчитывало споры, определяло их вид и собирало данные о климате, как метеостанция. Это важно, поскольку развитие болезней во многом зависит от погодных условий. Данные будут поступать пользователю через приложение или другую программу. Параллельно мы разрабатываем математические модели развития болезней, учитывающие динамику самой болезни и лёта спор. По их количеству можно определить текущую стадию и предсказать, как будет дальше развиваться болезнь. И все это будет происходить автоматически.
— Есть аналоги у этих технологий?
— Спороулавливающие устройства активно разрабатывают и в России, и за рубежом. Изначально такие приборы создавали для медицины, чтобы проводить мониторинг пыльцевых аллергенов. Мы же сосредоточились на методике интерпретации данных. Уловить споры недостаточно. Важно понять, какое развитие болезни вызовет их количество. В этом и заключается наша главная работа: нам удалось выявить зависимость между уровнем засоренности воздуха и развитием болезни в посевах.
— Насколько сложно внедрять такие разработки в сельское хозяйство?
— Проблем с внедрением нет, поскольку для агрономов это очень актуальное направление. Мониторинг лежит в основе всех этапов защиты посевов: необходимо понимать, какая болезнь присутствует и в каком количестве. Самое главное сейчас — масштабировать такие процессы. Мы регулярно участвуем в сельскохозяйственных выставках и конференциях, рассказываем о наших разработках на профильных мероприятиях. Помогает сарафанное радио: когда специалисты на практике убеждаются в эффективности методики, распространение новых решений идет быстрее.
— В прошлом году на встрече с Президентом в ходе Конгресса молодых ученых вы упомянули проблему, связанную со стереотипами в аграрной науке. В чем суть этих заблуждений? Почему с ними нужно бороться?
Чтобы преодолеть стереотипы об аграрной науке, важно показывать, что происходит в этой области, какие методы и технологии здесь применяют. Работа в этом направлении уже идет, причем комплексно, начиная от школьной скамьи и заканчивая выпускниками вузов. Помогает федеральный проект «Кадры в АПК» нацпроекта «Технологическое обеспечение продовольственной безопасности». По этой инициативе организуются агроклассы, на которых школьники могут познакомиться с перспективными профессиями.
— Допустим, ИТ-специалист решает перейти в аграрную науку. Насколько реально для него попасть в эту сферу, не имея базовых знаний?
— Как правило, базовые представления формируются в ходе работы. Более того, очень хорошо, когда коллектив состоит из специалистов разных профилей. Такой междисциплинарный состав заметно укрепляет команду и помогает достигать значимых исследовательских результатов.
— Какими еще исследованиями занимается ваша научная группа?
— В нашей лаборатории развивают два ключевых направления. Первое: мониторинг вредителей и болезней растений, о котором я уже рассказывала. Второе: дистанционное зондирование Земли. Мы изучаем спектральные характеристики, чтобы оценивать состояние посевов без прямого контакта с ними.
— Если говорить о более глобальных задачах, какой цели лично вам хотелось бы достичь в перспективе?
— Мне хотелось бы детально изучить все многообразие взаимосвязей в системе «растение — патоген — условия окружающей среды». Владея этой информацией, можно было бы гарантировать здоровье и чистоту всей растительной продукции на рынке. А в более широком смысле — достичь гармоничного сосуществования человека и природы.
Беседовала Анна Шиховец
