虛擬植物生長或可幫助農民提高作物產量

如果農民可以在幾秒鐘內而不是幾天或幾周內種植甘蔗，會怎麼樣？科學家們正在做這件事。當然，這些作物不是從土壤中長出來的。相反，它們在電腦螢幕上茁壯成長。

這些數字植物是農業科學中一種名為“計算機模擬”的新運動的一部分，研究人員在其中設計高度精確的計算機模擬作物，以幫助加速選擇性育種，在選擇性育種中，選擇和重新種植植物以放大其理想的性狀。科學家們認為，未來的農業不僅在田野裡，也在圖形中。

這種新的作物科學領域正值全球糧食安全岌岌可危之際。目前世界人口約為 75 億，皮尤研究中心預測，到 2050 年，人口將急劇增加到約 96 億。更糟糕的是，研究人員記錄到全球土壤養分和水資源供應嚴重下降。作為我們如何養活自己的基礎，未來的作物將需要以更少的資源生產更多的食物。佐治亞理工學院的生物學家埃伯哈德·沃伊特說，僅僅手工挑選和重新種植那些生長旺盛的品種這種存在了數千年的策略太慢了。“我們需要更有針對性的方法，”他說。這就是計算機模擬作物可能有所幫助的地方。透過使用計算機模擬研究植物生長，研究人員可以發現哪些屬性造就了最佳的品種以及原因，這比傳統的生長季節花費的時間要少得多。

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“計算機模擬”一詞指的是矽計算機晶片。該技術始於科學家收集有關植物在顯微鏡下和田野中的行為資料。接下來，他們建立統計模型來識別資料中的數學關係。然後，研究人員根據這些方程建立模擬，這使他們能夠看到他們在螢幕上測量的性狀的表現。一旦他們將作物視覺化，科學家就可以操縱資料，以檢視哪些因素會導致生長最快、最耐旱或最不易受害蟲侵襲的植物。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究人員在今年早些時候描述的數字甘蔗，說明了計算機模擬作物如何幫助農民。在圖中，綠葉冠層反映了在巴西真實甘蔗田中測量的高度、葉片大小和角度範圍。陽光以不同的強度穿過樹葉，錯過了其他葉子遮蔽的斑塊。為了應對這些不同的形狀和光照，數字作物模仿了現實世界中甘蔗植物的生長方式。

在他們的研究中，研究人員使用模擬來測試四種不同的種植模式——種子線的完美對稱網格與交錯的網格，以及種植行的南北方向與東西方向。他們的模型顯示，不對稱和南北方向的排列產生了最高的產量，比目前巴西典型的甘蔗田的產量高 10%。研究的共同負責人、伊利諾伊大學的斯蒂芬·朗說，超級計算機花費了一整天的時間來處理團隊的資料並提供結果，他也是英國蘭卡斯特大學的植物生物學和作物科學教授。儘管如此，一天的處理時間與整個生長季節相比幾乎算不了什麼。但是朗認為，技術進步將很快加速這些計算。“在 12 個月內，一天完成的事情可以在一分鐘內完成，”他說。

研究人員的模型有助於揭示陽光和陰影等條件如何影響作物生長——但是許多其他因素，例如水的可用性和微生物相互作用，決定了玉米穗的長度或大豆的寬度。在將這些其他元素轉化為程式碼之前，科學家首先需要了解它們在現實生活中是如何運作的。

世界各地的植物生理學家和生物學家現在正在田野和實驗室中研究這些關鍵問題。例如，朗和伊利諾伊州的同事朱新光（他也在中國科學院任職）研究一種對大豆和水稻等作物獨特的植物光合作用。沃伊特研究控制植物壁硬化化合物木質素產生的因素。賓夕法尼亞州立大學的植物生理學家、計算機模擬作物運動的另一位創始人喬納森·林奇，研究了一系列土壤養分條件下根的行為。隨著他們瞭解更多資訊，科學家會將作物生存和生長的這些關鍵細節納入實驗室的計算機模擬中。

下一個障礙是如何讓這些不同的模擬相互交流，伊利諾伊州的植物系統生物學家艾米·馬歇爾-科隆說，她領導的實驗室小組獨立於朗和朱的實驗室小組。研究團隊使用他們喜歡的任何軟體進行他們的獨立研究，他們的許多程式無法同時執行併產生有意義的植物。這就是國家超級計算應用中心 (NCSA) 的用武之地。該計算設施位於伊利諾伊州，已幫助其他科學家（例如天體物理學家）將他們的數學轉化為動畫。NCSA 的程式設計師正在構建一個軟體框架，該框架可以將所有單獨的作物模型組合成一個顯示多個可程式設計功能的植物。透過使用這個多工框架，研究人員可以執行他們想要的任何模擬植物特徵組合。“您可以即插即用以回答特定的生物學問題，”馬歇爾-科隆說。

為了實現後期階段，蓬勃發展的計算機模擬領域將需要大幅增長，尤其是在美國。林奇還在英國諾丁漢大學任職，他認為歐洲更願意投資於作物建模。“我們甚至沒有在美國參與競爭，”他說。儘管如此，美國研究人員已經透過他們的大學以及糧食和農業研究基金會等組織獲得了一些資金，該基金會是一個旨在幫助美國農業部尋找和推廣創新食品生產技術的非營利組織。

從事計算機模擬作物研究的科學家們預見到這個新興領域的巨大潛力，以及他們將瞭解對人類生存至關重要的食物。“在未來幾年，它將變得更加重要，”林奇說，“這是生物學的[前沿]。”