استخدام خصائص أوراق النباتات للتنبؤ بالضوء وزيادة إنتاجية الأرز والذرة بالذكاء الاصطناعي

طور باحثون طريقة جديدة لتوقع كيفية تشتت الضوء على أوراق المحاصيل، محققين درجات دقة تصل إلى 0.99 في اختبارات أجريت في الصين.

استخدم فريق صيني لعلوم المحاصيل هذا الإطار لتحسين نماذج الظل ثلاثية الأبعاد، ما يساعد المربين على استهداف الصفات التي تعزز التمثيل الضوئي في الحقول المكتظة.

قاد البروفيسور شين-قوانج تشو من الأكاديمية الصينية للعلوم هذا البحث، الذي تم نشره في مجلة Plant Phenomics، مضيفًا البصريات الورقية كخيار جديد لتحقيق إنتاجية أعلى.

قياس الضوء المنعكس

من خلال بناء جهاز كشف الطيف الاتجاهي (DSDI)، الذي يسجل الضوء المنعكس من زوايا متعددة، تمكن الفريق من إجراء القياسات بشكل أسرع.

يدور الجهاز كل من عينة الورقة والمستشعر، ملتقطًا الأطياف مع تغير زوايا الإضاءة والمشاهدة، متجنبًا المسح البطيء باستخدام الكرة المتكاملة الذي يقتصر عادةً على مجموعات بيانات صغيرة.

قبل الاعتماد على بيانات الأوراق، قام الفريق بمعايرة DSDI باستخدام لوحة بيضاء تصرف الضوء بالتساوي، مطابقة النمط المتوقع عبر الزوايا للتأكد من عدم تحيز الجهاز.

سبب اختلاف الضوء في الظل

ينخفض ضوء الشمس بسرعة من أعلى النباتات، ما يخلق فجوات ضوئية تهدر الطاقة، وتصبح الأوراق السفلية أقل استفادة من الضوء، مما يقلل كفاءة استخدام الضوء، أي كمية الكتلة الحيوية التي تنتجها النباتات لكل وحدة ضوء مستغلة.
وظيفة التوزيع العكسي ثنائي الاتجاه (BRDF) تربط الانعكاس بزوايا الإضاءة والمشاهدة، مفصلةً الانعكاس اللامع عن التشتت المنتشر باستخدام معايير الخشونة والانكسار.

الصفات الورقية المؤثرة

تبدأ توقعات البصريات بالصفات سهلة القياس مثل سمك الورقة ومستوى الصبغات، مع تسجيل الوزن النوعي والجفاف لكل وحدة مساحة وصور مقطعية للملمس الدقيق.

انعكاس مزدوج

تظهر القياسات الاتجاهية ذروة ضيقة وخلفية واسعة، تمثل الذروة الانعكاس المرآوي، بينما ينشر التشتت المنتشر الضوء عبر السطح.

أظهرت الذرة والأرز والحور والقطن أنماط انعكاس مميزة، حيث يفسر الخشونة السطحية لمعان بعض الأوراق مقارنة بغيرها.

محاكاة مسارات الضوء

استخدم الفريق تتبع الأشعة في ظل ثلاثي الأبعاد للأرز لتوزيع الضوء، موضحين كيف يمكن لتغير الخشونة أو التشتت أن يغير مستويات الضوء بين طبقات الظل.

ربط الباحثون بيانات الصفات بالقياسات الضوئية، فتعلمت النماذج العلاقات المستقرة بين الصفات والبصريات، مما يسمح بالتنبؤ دون قياسات زاوية لكل تجربة جديدة.

أنماط بصرية معقدة

استعان الفريق بتعلم الآلة لالتقاط الأنماط غير الخطية بين الصفات والانعكاس، مع دمج نماذج مختلفة لمعالجة العلاقات المتنوعة بين البنية الداخلية والسطحية للورقة.

كانت صعوبة التنبؤ بمعامل الانكسار تحديًا، إذ تؤثر محتويات الماء والفراغات الداخلية على انكسار الضوء، ما يتطلب بيانات إضافية تحت الإجهاد المائي أو الحراري.

اعتبار الضوء كصفة نباتية

يربط الإطار الجديد بين البصريات والصفات الورقية، مما يجعل القياس السريع عالي الإنتاجية ممكنًا للمربين، ويساعد على اختيار الأصناف التي تنشر الضوء بعمق دون التضحية بالتمثيل الضوئي للأوراق العليا.