Vad är det som gör att växter smakar gott? För forskare i MIT:s Media Lab, det krävs en kombination av botanik, maskininlärningsalgoritmer, och lite gammaldags kemi.

Genom att använda allt ovan, forskare i Media Labs Open Agriculture Initiative rapporterar att de har skapat basilikaplantor som sannolikt är godare än någon du någonsin har smakat. Ingen genetisk modifiering är inblandad:Forskarna använde datoralgoritmer för att bestämma de optimala odlingsförhållandena för att maximera koncentrationen av smakrika molekyler som kallas flyktiga föreningar.

Men det är bara början för det nya området "cyberjordbruk, " säger Caleb Harper, en huvudforskare i MIT:s Media Lab och chef för OpenAg-gruppen. Hans grupp arbetar nu med att förbättra de mänskliga sjukdomsbekämpande egenskaperna hos örter, och de hoppas också kunna hjälpa odlare att anpassa sig till förändrade klimat genom att studera hur grödor växer under olika förhållanden.

"Vårt mål är att designa öppen källkodsteknologi i skärningspunkten för datainsamling, avkänning, och maskininlärning, och tillämpa det på jordbruksforskning på ett sätt som inte har gjorts tidigare, " Harper säger. "Vi är verkligen intresserade av att bygga nätverksverktyg som kan ta en anläggnings erfarenhet, dess fenotyp, uppsättningen av påfrestningar den möter, och dess genetik, och digitalisera det så att vi kan förstå interaktionen mellan växt och miljö."

I sin studie av basilikaväxter, som visas i numret 3 april av PLOS ETT , forskarna fann, till deras förvåning, att exponera växter för ljus 24 timmar om dygnet genererade den bästa smaken. Traditionella jordbrukstekniker skulle aldrig ha gett den insikten, säger John de la Parra, forskningsledaren för OpenAg-gruppen och en författare till studien.

"Du kunde inte ha upptäckt detta på något annat sätt. Om du inte är i Antarktis, det finns inte en 24-timmars fotoperiod att testa i den verkliga världen, " säger han. "Man var tvungen att ha konstgjorda omständigheter för att upptäcka det."

Harper och Risto Miikkulainen, professor i datavetenskap vid University of Texas i Austin, är de äldre författarna av tidningen. Arielle Johnson, en direktörsstipendiat vid Media Lab, och Elliot Meyerson från Cognizant Technology Solutions är huvudförfattarna, och Timothy Savas, en särskild projektassistent vid Open Agriculture Initiative, är också författare.

Maximerar smaken

Beläget i ett lager i Middleton, Massachusetts, OpenAg-växterna odlas i fraktcontainrar som har eftermonterats så att miljöförhållanden, inklusive ljus, temperatur, och fuktighet, kan kontrolleras noggrant.

Denna typ av jordbruk har många namn – kontrollerat miljöjordbruk, vertikalt jordbruk, urban farming – och är fortfarande en nischmarknad, men växer snabbt, säger Harper. I Japan, en sådan "växtfabrik" producerar hundratusentals salladshuvuden varje vecka. Dock, det har också varit många misslyckade ansträngningar, och det finns mycket lite informationsutbyte mellan företag som arbetar med att utveckla dessa typer av anläggningar.

Ett mål med MIT-initiativet är att övervinna den typen av hemlighetsmakeri, genom att göra all OpenAg-hårdvara, programvara, och data fritt tillgängliga.

"Det finns ett stort problem just nu inom jordbruksområdet när det gäller bristen på offentligt tillgänglig data, brist på standarder för datainsamling, och brist på datadelning, " Harper säger. "Så medan maskininlärning och artificiell intelligens och avancerad algoritmdesign har gått så snabbt, samlingen av vältaggade, meningsfulla jordbruksdata ligger långt efter. Våra verktyg är öppen källkod, förhoppningsvis kommer de att spridas snabbare och skapa förmågan att göra nätverksvetenskap tillsammans."

I den PLOS ETT studie, MIT-teamet satte sig för att demonstrera genomförbarheten av deras tillvägagångssätt, vilket innebär att odla växter under olika förhållanden i hydroponiska behållare som de kallar "matdatorer". Denna inställning tillät dem att variera ljusets varaktighet och varaktigheten av exponeringen för ultraviolett ljus. När plantorna väl var fullvuxna, forskarna utvärderade smaken av basilikan genom att mäta koncentrationen av flyktiga föreningar som finns i bladen, använda traditionella analytiska kemitekniker såsom gaskromatografi och masspektrometri. Dessa molekyler inkluderar värdefulla näringsämnen och antioxidanter, så att förbättra smaken kan också erbjuda hälsofördelar.

All information från växtexperimenten matades sedan in i maskininlärningsalgoritmer som teamen från MIT och Cognizant (tidigare Sentient Technologies) utvecklade. Algoritmerna utvärderade miljontals möjliga kombinationer av ljus och UV-varaktighet, och genererade uppsättningar av villkor som skulle maximera smaken, inklusive 24-timmars dagsljusregimen.

Går bortom smak, forskarna arbetar nu med att utveckla basilikaväxter med högre halter av föreningar som kan hjälpa till att bekämpa sjukdomar som diabetes. Basilika och andra växter är kända för att innehålla föreningar som hjälper till att kontrollera blodsockret, och i tidigare arbete, de la Parra har visat att dessa föreningar kan förstärkas av varierande miljöförhållanden.

Forskarna studerar nu effekterna av att ställa in andra miljövariabler som temperatur, fuktighet, och ljusets färg, samt effekterna av att lägga till växthormoner eller näringsämnen. I en studie, de utsätter växter för kitosan, en polymer som finns i insektsskal, vilket gör att växten producerar olika kemiska föreningar för att avvärja insektsangreppen.

De är också intresserade av att använda sitt tillvägagångssätt för att öka avkastningen av medicinalväxter som Madagaskarsnäckan, som är den enda källan till anticancerföreningarna vinkristin och vinblastin.

"Du kan se detta papper som öppningsskottet för många olika saker som kan tillämpas, och det är en utställning av kraften i verktygen som vi har byggt hittills, " säger de la Parra. "Detta var arketypen för vad vi nu kan göra i större skala."

Klimatanpassning

En annan viktig applikation för cyberjordbruk, forskarna säger, är anpassning till klimatförändringar. Även om det vanligtvis tar år eller decennier att studera hur olika förhållanden kommer att påverka grödor, i en kontrollerad jordbruksmiljö, många experiment kan göras på kort tid.

"När du odlar saker på en åker, du måste lita på vädret och andra faktorer för att samarbeta, och du måste vänta till nästa växtsäsong, " säger de la Parra. "Med system som vårt, vi kan avsevärt öka mängden kunskap som kan erhållas mycket snabbare."

OpenAg-teamet utför för närvarande en sådan studie på hasselnötsträd för godistillverkaren Ferrero, som förbrukar cirka 25 procent av världens hasselnötter.

Som en del av deras utbildningsuppdrag, forskarna har också utvecklat små "personliga matdatorer" - lådor som kan användas för att odla växter under kontrollerade förhållanden och skicka data tillbaka till MIT-teamet. Dessa används nu av många gymnasie- och mellanstadieelever i USA, bland ett nätverk av olika användare spridda över 65 länder, som kan dela sina idéer och resultat via ett onlineforum.

"För oss, varje ruta är en datapunkt som vi är mycket intresserade av att få, men det är också en plattform för experiment för undervisning i miljövetenskap, kodning, kemi, och matematik på ett nytt sätt, " säger Harper.