Nature Plants | 伯明翰大学揭示纳米技术和人工智能是解决全球粮食安全挑战的关键!

一项新的研究显示，农民利用纳米技术和人工智能（AI）对作物生长的变化做出实时反应的"精准农业"可以为威胁全球粮食安全的挑战提供一个实际的解决方案（Nature Plants | 美国普渡大学综述在不同农业生态系统中进行精准微生物组管理的新兴策略！Nature Plants | 可调控的农作物只需一喷即可：对作物进行瞬时重编程以提高农艺性状！Nature Plants | 英国谢菲尔德大学综述实现粮食和气候安全的全球农业新方法！Nature Communications | 在实验室外进行合成生物学的应用，挑战和需求！“少肥多产”不是梦）。气候变化、人口增长、生产生物燃料对土地的竞争需求以及土壤质量的下降意味着养活世界人口变得越来越困难。联合国（UN）估计，到2030年将有8.4亿人受到饥饿的影响，但研究人员已经制定了一个新的策略，将智能和纳米农业与人工智能和机器学习能力相结合，可以帮助减少这个数字。

近日，权威学术期刊Nature Plants发表了英国伯明翰大学Iseult Lynch教授团队的最新相关研究成果，题为Nanotechnology and artificial intelligence to enable sustainable and precision agriculture的观点论文。

该研究列出了使用人工智能安全、可持续和负责任地利用纳米材料的力量所需的以下步骤：

• 了解纳米材料在农业环境中的长期命运——纳米材料如何与根、叶和土壤相互作用（Nature Nanotechnology | 纳米材料成为植物抗病新武器！Nature Nanotechnology | 纳米材料促进根际微生物修复污染土壤，成为安全作物生产的新策略! Nature Nanotechnology | 瑞士弗里堡大学研究揭示纳米硅颗粒增强植物的抗病能力！Science Advances | 美国加州大学科研人员开发碳纳米载体无需辅助实现siRNA传递至植物细胞）；
• 评估纳米材料在农业生态系统中的长期生命周期影响，例如纳米材料的重复应用将如何影响土壤；
• 对纳米农业采取系统级方法——利用土壤质量、作物产量和养分利用效率 (NUE) 的现有数据来预测纳米材料在环境中的表现；
• 使用人工智能和机器学习来确定将控制纳米材料在农业环境中的行为的关键特性。

目前估计有近6.9亿人在挨饿 -- 几乎占全球人口的9%。为这一问题寻找可持续的农业解决方案需要采取大胆的新方法，并整合来自不同领域的知识，如材料科学和信息学。利用纳米技术和人工智能的精准农业，为可持续的粮食生产提供了令人兴奋的机会。将现有的养分循环和作物生产力模型与纳米信息学方法联系起来，可以安全和可持续地改良作物和土壤。

农业科技创新的主要驱动力是需要在农业用地减少的情况下养活不断增长的全球人口，同时保护土壤健康和环境质量。农业的集约化已经导致了全球NUE的极度恶化，这对环境质量构成了严重的威胁，因为大量的营养物质流失到了水中和空气中，使地球变暖，全球近11%的温室气体排放来自农业。特别值得关注的是，由于土地的过度氮肥化，导致了"笑气 "一氧化二氮的排放，它在诱发全球变暖方面的效力比二氧化碳强300倍。大约70%的人为源氧化亚氮排放到空气中是由农业造成的。纳米肥料提供了针对作物肥力的潜力，提高NUE和减少一氧化二氮的排放。

科研人员指出，纳米技术在四个关键方面为提高农业提供了巨大的潜力。

• 提高生产效率和作物产量

• 提高土壤健康和植物的抗逆性

• 提高资源的效率并减少污染

• 开发能够提醒农民注意环境胁迫的智能传感器植物。

包括人工智能和机器学习在内的计算方法将在推动纳米农业的发展中发挥关键作用。这种方法已经开始在纳米材料的安全评估方面获得监管部门的认可，允许为消费品和医药开发安全设计的纳米材料。将人工智能和纳米技术整合到精准农业中，将在探测用于化肥和农药输送的纳米材料的设计参数方面发挥重要作用，以确保对土壤健康的影响最小，同时在可食用组织部分的纳米材料残留量最小--有助于确保安全和可持续农业。

图1：纳米技术在农业中的应用，特别关注作物生产

图2：机器学习在纳米农业中的应用

图3：纳米材料在土壤-植物环境中的复杂性以及在土壤-植物系统中的潜在影响

图4：基于纳米材料和环境因素之间的相互作用，评估农业中纳米材料所需的人工智能模型的整合方法

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