Метод мониторинга здоровья растений в помещении, независимо от планеты

С развитием технологий, таких как светодиодные фитолампы, и ростом урбанизации, вертикальное и комнатное земледелие становится важной частью продовольственного снабжения. В будущем эти методы могут помочь поддерживать здоровый рацион в космосе. Однако в полностью закрытых системах выращивания дисбаланс питательных веществ в почве, засоление, температура и другие факторы должны выявляться быстро, чтобы не потерять весь урожай. В работе, опубликованной в Applications in Plant Sciences, доктор Роберт Ферл и его коллеги из Лаборатории космических растений Университета Флориды разработали оптический инструмент для быстрой, точной и недорогой оценки здоровья растений.

Исследование проводилось с прицелом на земледелие за пределами Земли. «Представьте теплицу на Марсе, которой роботизированно управляют, — сказал доктор Ферл, ведущий автор исследования. — Единственные данные, которые мы можем получить от этой теплицы, — электронные. Возврата образцов нет. В таких условиях становится крайне полезно извлекать как можно больше данных из фотонов, исходящих от листьев растений». Эти фотоны создают характерные световые сигнатуры, которые могут многое рассказать о состоянии растения при анализе с помощью нормализованного разностного вегетационного индекса (NDVI).

NDVI — широко используемый показатель здоровья растений и скорости фотосинтеза, изначально разработанный для спутникового мониторинга. Метрика сравнивает поглощение растениями света разных спектров: здоровые растения поглощают свет в фотосинтетически активной области спектра и отражают ближний инфракрасный свет, создавая узнаваемую сигнатуру. Исследователи адаптировали одноизображенческий NDVI (SI-NDVI) — недорогую версию этого анализа — чтобы проверить его пригодность для мониторинга в условиях комнатного земледелия.

Эффективность метода оценивали, подвергая два вида растений (рукколу и модельное растение Arabidopsis thaliana) двум разным стрессорам: засолению и обработке высококонцентрированным нитратом аммония. Эти стрессоры вызывают хорошо изученные и характерные реакции. Ученые смогли обнаружить сигнатуры стресса от обоих воздействий задолго до того, как стресс стал виден невооруженным глазом. Это доказывает полезность метода как системы раннего предупреждения, которую можно развернуть дистанционно и относительно недорого.

Хотя авторов в первую очередь мотивировала возможность выращивания растений в космосе, разработанная ими методика мониторинга может оказаться полезной и на Земле для фермеров, занимающихся комнатным выращиванием. «SI-NDVI позволяет получать спектральные характеристики из одного RGB-изображения. Это снижает затраты, — отметил доктор Ферл. — Это также открывает двери для большого сообщества гражданских ученых и разработчиков приложений, заинтересованных в коммерческом использовании концепций SI-NDVI». Метод можно адаптировать для мониторинга различных культур, выращиваемых в помещении, что может привести к появлению на столе более дешевой и здоровой зелени — независимо от того, находится ли этот стол на Земле или на Марсе.