虚拟植物生长或可帮助农民提高作物产量

如果农民可以在几秒钟内而不是几天或几周内种植甘蔗，会怎么样？科学家们正在做这件事。当然，这些作物不是从土壤中长出来的。相反，它们在电脑屏幕上茁壮成长。

这些数字植物是农业科学中一种名为“计算机模拟”的新运动的一部分，研究人员在其中设计高度精确的计算机模拟作物，以帮助加速选择性育种，在选择性育种中，选择和重新种植植物以放大其理想的性状。科学家们认为，未来的农业不仅在田野里，也在图形中。

这种新的作物科学领域正值全球粮食安全岌岌可危之际。目前世界人口约为 75 亿，皮尤研究中心预测，到 2050 年，人口将急剧增加到约 96 亿。更糟糕的是，研究人员记录到全球土壤养分和水资源供应严重下降。作为我们如何养活自己的基础，未来的作物将需要以更少的资源生产更多的食物。佐治亚理工学院的生物学家埃伯哈德·沃伊特说，仅仅手工挑选和重新种植那些生长旺盛的品种这种存在了数千年的策略太慢了。“我们需要更有针对性的方法，”他说。这就是计算机模拟作物可能有所帮助的地方。通过使用计算机模拟研究植物生长，研究人员可以发现哪些属性造就了最佳的品种以及原因，这比传统的生长季节花费的时间要少得多。

关于支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。

“计算机模拟”一词指的是硅计算机芯片。该技术始于科学家收集有关植物在显微镜下和田野中的行为数据。接下来，他们建立统计模型来识别数据中的数学关系。然后，研究人员根据这些方程创建模拟，这使他们能够看到他们在屏幕上测量的性状的表现。一旦他们将作物可视化，科学家就可以操纵数据，以查看哪些因素会导致生长最快、最耐旱或最不易受害虫侵袭的植物。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员在今年早些时候描述的数字甘蔗，说明了计算机模拟作物如何帮助农民。在图中，绿叶冠层反映了在巴西真实甘蔗田中测量的高度、叶片大小和角度范围。阳光以不同的强度穿过树叶，错过了其他叶子遮蔽的斑块。为了应对这些不同的形状和光照，数字作物模仿了现实世界中甘蔗植物的生长方式。

在他们的研究中，研究人员使用模拟来测试四种不同的种植模式——种子线的完美对称网格与交错的网格，以及种植行的南北方向与东西方向。他们的模型显示，不对称和南北方向的排列产生了最高的产量，比目前巴西典型的甘蔗田的产量高 10%。研究的共同负责人、伊利诺伊大学的斯蒂芬·朗说，超级计算机花费了一整天的时间来处理团队的数据并提供结果，他也是英国兰卡斯特大学的植物生物学和作物科学教授。尽管如此，一天的处理时间与整个生长季节相比几乎算不了什么。但是朗认为，技术进步将很快加速这些计算。“在 12 个月内，一天完成的事情可以在一分钟内完成，”他说。

研究人员的模型有助于揭示阳光和阴影等条件如何影响作物生长——但是许多其他因素，例如水的可用性和微生物相互作用，决定了玉米穗的长度或大豆的宽度。在将这些其他元素转化为代码之前，科学家首先需要了解它们在现实生活中是如何运作的。

世界各地的植物生理学家和生物学家现在正在田野和实验室中研究这些关键问题。例如，朗和伊利诺伊州的同事朱新光（他也在中国科学院任职）研究一种对大豆和水稻等作物独特的植物光合作用。沃伊特研究控制植物壁硬化化合物木质素产生的因素。宾夕法尼亚州立大学的植物生理学家、计算机模拟作物运动的另一位创始人乔纳森·林奇，研究了一系列土壤养分条件下根的行为。随着他们了解更多信息，科学家会将作物生存和生长的这些关键细节纳入实验室的计算机模拟中。

下一个障碍是如何让这些不同的模拟相互交流，伊利诺伊州的植物系统生物学家艾米·马歇尔-科隆说，她领导的实验室小组独立于朗和朱的实验室小组。研究团队使用他们喜欢的任何软件进行他们的独立研究，他们的许多程序无法同时运行并产生有意义的植物。这就是国家超级计算应用中心 (NCSA) 的用武之地。该计算设施位于伊利诺伊州，已帮助其他科学家（例如天体物理学家）将他们的数学转化为动画。NCSA 的程序员正在构建一个软件框架，该框架可以将所有单独的作物模型组合成一个显示多个可编程功能的植物。通过使用这个多任务框架，研究人员可以运行他们想要的任何模拟植物特征组合。“您可以即插即用以回答特定的生物学问题，”马歇尔-科隆说。

为了实现后期阶段，蓬勃发展的计算机模拟领域将需要大幅增长，尤其是在美国。林奇还在英国诺丁汉大学任职，他认为欧洲更愿意投资于作物建模。“我们甚至没有在美国参与竞争，”他说。尽管如此，美国研究人员已经通过他们的大学以及粮食和农业研究基金会等组织获得了一些资金，该基金会是一个旨在帮助美国农业部寻找和推广创新食品生产技术的非营利组织。

从事计算机模拟作物研究的科学家们预见到这个新兴领域的巨大潜力，以及他们将了解对人类生存至关重要的食物。“在未来几年，它将变得更加重要，”林奇说，“这是生物学的[前沿]。”