Zmiana klimatu otwiera północ Europy na nowych intruzów. Szkodniki i patogeny, które jeszcze niedawno nie były w stanie przetrwać w chłodniejszych warunkach, dziś coraz skuteczniej przesuwają swoje zasięgi na północ.
W regionie Morza Bałtyckiego obserwuje się gatunki patogenów znanych dotychczas z innych regionów świata. Przykładem jest coraz częściej występująca zwłaszcza w południowej Polsce rdza żółta, choroba wywoływana przez grzyby pochodzące najprawdopodobniej z Bliskiego Wschodu, które atakują m.in. pszenicę.
Tradycyjne krajowe systemy ochrony opierają się na wizualnej ocenie upraw, co ma poważną wadę – objawy choroby widać na roślinie dopiero wtedy, gdy infekcja jest już zaawansowana. Ponadto ludzie mają tendencję do interpretowania nowych zjawisk przez pryzmat tego, co już znają.
Aby zapobiec stratom w plonach bez konieczności kosztownego opryskiwania pól środkami ochrony roślin, potrzebne są precyzyjne narzędzia o międzynarodowym zasięgu.
Na to wyzwanie stara się odpowiedzieć projekt PestSpace. Bierze w nim udział 17 organizacji, m.in. z Estonii, Finlandii, Litwy czy Łotwy. W projekcie uczestniczy Uniwersytet Warszawski, a zespołem z Wydziału Biologii kieruje dr hab. Julia Pawłowska.
– Projekt PestSpace powstał z inicjatywy Uniwersytetu w Tartu, który zwrócił uwagę na to, że dane związane z występowaniem patogenów roślin uprawnych, czyli fitopatogenów, nie są integrowane w skali międzynarodowej. Jest to o tyle istotne, o ile w czasie zmian klimatu szkodniki i patogeny upraw zmieniają swoje zasięgi. Gdybyśmy byli w stanie zintegrować taki system w skali całej Europy, to otrzymalibyśmy modele wczesnego ostrzegania, międzynarodowo. Na początek skupiamy się na rejonie Morza Bałtyckiego i dwóch uprawach: pszenicy ozimej i bobiku – opowiada dr hab. Julia Pawłowska.
Środowiskowe DNA i sztuczna inteligencja
Sama obserwacja objawów na polu nie zawsze pozwala ustalić, jaki organizm odpowiada za chorobę. Tradycyjna identyfikacja jej sprawcy może wymagać pobrania próbki i hodowania mikroorganizmów w laboratorium.
Naukowcy z projektu PestSpace postawili na podejście field-to-lab („od pola do laboratorium”) oraz sekwencjonowanie tzw. środowiskowego DNA.
– W tej chwili mamy w biologii bardzo czułe metody molekularne, np. sekwencjonowanie środowiskowego DNA. Wydawało nam się dość zaskakujące, że nie stosuje się tych metod powszechnie w fitopatologii, ponieważ można by ich używać w codziennym monitoringu. Gdy danych będzie dużo, to w dłuższej perspektywie moglibyśmy je korelować z późniejszym wystąpieniem objawów, co powinno być podstawą systemów wczesnego ostrzegania – mówi dr hab. Pawłowska.
Gdy badacze pobierają z pola pojedynczy liść, izolują z niego całe zawarte w próbce DNA. Znajdują w nim nie tylko materiał genetyczny samej rośliny, lecz także różnych związanych z nią organizmów.
– Aby wykrywanie w środowiskowym DNA było możliwe, najpierw potrzebujemy sekwencji referencyjnych. Możemy taką bazę referencyjną stworzyć poprzez wyizolowanie konkretnych grzybów z liści z objawami chorobowymi i zsekwencjonowanie ich genów markerowych. System działa w tej chwili tak, że w pierwszym roku jeździliśmy w teren, zbieraliśmy liście, na których widzieliśmy objawy, robiliśmy zdjęcie, a potem w laboratorium sekwencjonowaliśmy z tego DNA markerowe, żeby zobaczyć, jakie organizmy występują w liściach z objawami chorobowymi. Na tych sekwencjach i zdjęciach zostały wyszkolone modele, które rozpoznają obraz, i to uruchomiliśmy właśnie w wersji testowej – opowiada badaczka.
Aby łatwiej wykryć DNA grzybów, naukowcy używają teraz specjalnych blokerów ograniczających powielanie DNA rośliny.
Do wysokoprzepustowego sekwencjonowania wybranych fragmentów DNA mikrobów naukowcy stosują obecnie technologię Oxford Nanopore. Metoda wykorzystuje maleńki otwór w białku, przez który przechodzi DNA. Każdy fragment DNA zmienia przepływ prądu w charakterystyczny sposób, a komputer na tej podstawie odczytuje jego sekwencję.
Otrzymane sekwencje porównuje się z bazami referencyjnymi, aby precyzyjnie ustalić, jakie gatunki zasiedliły roślinę.
Równolegle rozwijana jest ścieżka postępowania dla rolników. Za pomocą aplikacji mobilnej Plutof GO lub portalu https://pestspace.eu/ rolnik może zidentyfikować grzyby powodujące określone objawy chorobowe.
– Ten model AI został wyszkolony na naszych zdjęciach identyfikacyjnych i sekwencjach DNA i jest przygotowany do tego, aby rolnik w oparciu o samo zdjęcie mógł otrzymać identyfikację patogenów, które ma u siebie – komentuje dr hab. Pawłowska.
Wstępnie wytrenowany model sztucznej inteligencji porównuje obraz z bazą fotografii połączonych z wiarygodną identyfikacją genetyczną i od razu podpowiada prawdopodobną diagnozę. Choć warto zaznaczyć, że na razie to tylko prototyp obsługujący wybrane choroby.
Pułapki na powietrze i prognoza pogody dla grzybów
Jednym z najciekawszych aspektów badania jest próba wykrywania patogenów, zanim w ogóle pojawią się jakiekolwiek zmiany na roślinach. W kilku miejscach w Polsce naukowcy zainstalowali specjalne pułapki na zarodniki. Urządzenia te nieustannie zasysają powietrze, a zawieszone w nich mikroorganizmy osiadają w specjalnych pojemnikach lub na taśmach.
– Pułapka zasysa powietrze przez cały tydzień, wciąga tam wszystkie zarodniki, które osadzają się w specjalnych buteleczkach lub na taśmach. Wyjmuje się to raz w tygodniu i potem można wyizolować całkowite DNA wszystkiego, co się tam złapało oraz powielić wybrany kawałek, który nas interesuje, zsekwencjonować ten fragment DNA i porównać z referencyjnymi bazami – tłumaczy badaczka.
Wyizolowane i zsekwencjonowane DNA z takich próbek powietrza pozwala ustalić obecność zarodników grzybów krążących w okolicy. Jeśli połączy się te dane z prognozą pogody i informacjami o lokalnych uprawach, można tworzyć modele prognozujące rozwój chorób. W efekcie rolnik otrzyma ostrzeżenie o nadciągającym zagrożeniu z kilkunastodniowym wyprzedzeniem.
– W idealnym świecie wyobrażam sobie dwie rzeczy. Jedną jest prognoza pogody, czyli system sieci maszynek, które w Europie zasysają DNA z powietrza i na bieżąco je sekwencjonują. Dane są wprowadzane do modeli, w których są też prognozy pogody, lokalizacje posianych odmian i ich odporność. Człowiek wstaje rano, sprawdza prognozę pogody i widzi, że za dwa tygodnie może pojawić się jakaś rdza i system wysyła informacje, jakie zabiegi może podjąć rolnik, aby się przed tym uchronić. Do tego jeszcze daleka droga, ale wiele zespołów na świecie próbuje nad tym pracować.
Drugie, co sobie wyobrażam, to sieć użytkowników, która wymaga społecznego zaangażowania. Czyli rolnik wychodzi na pole i robi zdjęcia tego, co ma u siebie, ale w zamian będzie dostawał też informację zwrotną od wszystkich w okolicy, więc otrzyma dokładniejsze dane o lokalnie występujących patogenach czy chorobach – opowiada dr hab. Pawłowska.
System miałby działać podobnie do popularnych nawigacji drogowych – użytkownicy dzielą się swoimi obserwacjami w aplikacji, np. komunikatami o niebezpieczeństwie na drodze, tworząc gęstą sieć ostrzegania dla całej okolicy.
Bobik Days
Praca biologa kojarzy się z zaawansowaną aparaturą, praktyka bywa jednak dużo bardziej przyziemna. Naukowcy pracujący z uprawami, poza wykrywaniem szkodników i patogenów, czasem muszą też dokładnie ocenić jakość plonów.
– Mamy szereg właśnie takich prac, w których musimy ocenić jakość plonów, i to są aktywności, które podejmujemy całym laboratorium. Organizujemy tzw. Bobik Days. Wtedy wszyscy pracownicy przychodzą, dostają instrukcję i swój kubełek z nasionkami i muszą liczyć dziurki – wspomina badaczka.
Bobik jest ceniony za bogate w białko nasiona i zdolność wiązania azotu z atmosfery. Problem w tym, że jego nasiona chętnie atakuje strąkowiec, którego larwy żerują w ich wnętrzu i pozostawiają charakterystyczne otwory.
Aby obliczyć poziom uszkodzeń, naukowcy godzinami ręcznie wyłuskują nasiona ze strąków i skrupulatnie liczą dziurki w tysiącach nasion.
Jak wspomina badaczka, praca jest tak powtarzalna i nudna, że zdarzało się naukowcom z sąsiedniego Wydziału Chemii przychodzić do nich poskubać nasiona dla uspokojenia.
– To jest czynność, której rzeczywiście nie lubię, natomiast bardziej ciekawe jest dla mnie, jakie tak naprawdę organizmy występują za nazwami, których klasycznie używa się w fitopatologii. Osoba oceniająca choroby na polu mówi „czekoladowa plamistość”, a ja chciałabym wiedzieć, co za nią stoi. Bardzo ciekawe jest dla mnie to, jak wielu rzeczy nie wiemy. Jeśli dana choroba nie jest specjalnie ważna, to nie jest dobrze poznana. Gdyby sobie szerzej postawić pytanie o funkcjonowanie roślin w środowisku, to objawiają się złożone układy, w których organizmy wchodzą w interakcje. Lubimy z tego świata wybierać fragmenty, które wydają nam się istotne. A może jest tak, że ten skład grzybów endofitycznych, które mamy w poszczególnej roślinie, tak naprawdę rzutuje na to, jaka choroba będzie albo nie będzie mogła się rozwinąć? – podsumowuje dr hab. Julia Pawłowska.
