Det finns en gård i Arkansas som odlar sojabönor, majs, och ris som siktar på att vara den mest vetenskapligt avancerade gården i världen. Jordprover körs genom kraftfulla maskiner för att få sina mikrober genetiskt sekvenserade, drönare flyger över huvudet och tar hyperspektrala bilder av grödorna, och snart kommer superdatorer att krossa de massiva datamängderna som samlas in.

Forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), arbetar med University of Arkansas och Glennoe Farms, hoppas det här projektet, som sammanför molekylär biologi, biogeokemi, miljöavkännande teknologier, och maskininlärning, kommer att revolutionera jordbruket och skapa hållbara jordbruksmetoder som gynnar både miljön och gårdar. Om det lyckas, de tänker sig att kunna minska behovet av kemiskt gödningsmedel och förbättra markens kolupptag, på så sätt förbättra markens långsiktiga livskraft, samtidigt som skördarna ökar.

En central del av forskningen är att förstå mikrobernas roll i jordens hälsa.

"Mikrober är en kritisk komponent för markhälsa och produktivitet, ", sa vetenskapsmannen Ben Brown. "Genom att förstå hur mikrober fungerar och modifiera miljöerna där de fungerar, vi kan så småningom konstruera mikrobiella samhällen för att förbättra markens produktivitet. Vad mer, Berkeley Labs forskning visar att friska jordar är mer motståndskraftiga mot systemchocker som klimatförändringar, torka, och insekter."

En viktig utmaning för att främja dessa mål är erkännandet av den betydande rumsliga variationen av markegenskaper inom ett enskilt fält och mellan fält. Projektet "AR1K Smart Farm" har samlat en rad expertis för att fokusera på en 1, 000 hektar stor gård nära Stuttgart, Arkansas, som en testbädd. Projektet leds av Haruko Wainwright, en expert på miljöövervakning och uppskattningsmetoder inom Berkeley Labs Earth and Environmental Sciences Area, och Ben Brown, en expert på maskininlärning och mikrobiell analys inom biovetenskapsområdet.

Jord:det mest komplexa ekosystemet på planeten

Världens befolkning förutspås av FN att växa till 9,8 miljarder år 2050; utfodring som många människor kommer att kräva för att öka livsmedelsproduktionen med mer än 70 procent. Ändå har industrialiserade jordbruksmetoder utarmat en majoritet av landets jordbruksmark på aktivt kol och ett balanserat mikrobiellt ekosystem. Detta återspeglas i mätningar av organiskt material som i genomsnitt bara 1 till 2 procent i de flesta jordbruksmark, jämfört med historiska nivåer på runt 10 procent.

"Våra bönder är beroende av ett tungt recept på genetiskt modifierade frön, gödselmedel, kemiska herbicider, och bekämpningsmedel för att göra en lönsam gröda, sa Jay McEntire, chef för Glennoe Farms. "För bonden ökar detta beroende deras insatskostnader och ökar deras ekonomiska risk. För markägaren innebär utarmade jordar och kemiska regimer risker för både ekonomisk och miljömässig hållbarhet."

Bygger på Berkeley Labs ENIGMA och Microbes to Biomes-initiativ, projektets forskare letar efter att utveckla och utvärdera mikrobiella ändringar, som kan ses som "probiotika för jord, "för att ersätta kolet, fosfor, och andra näringsämnen som har gått förlorade. Upprepad användning av bulkgödselmedel och kemikalier genom åren har tömt marken och orsakat andra miljöskador, skapa en ond cirkel som gör den nuvarande modellen för industriellt jordbruk potentiellt ohållbar – och allt dyrare eftersom fler och fler kemiska och bulksaltbaserade gödningstillsatser krävs varje år.

Vad mer, världens tillgång på fosfor är begränsad.

Men Berkeley Lab strävar efter en mikrobiell lösning. "De goda nyheterna är, det finns massor av mikrober som har enzymer som kallas fytaser som kan återupplösa oorganisk fosfor, "som i huvudsak är "resterna" i marken efter att växter tagit upp vad de behöver från bergfosfor, enligt Brown.

Även om begreppet mikrobiella ändringar inte är nytt - ja, kommersiella produkter finns på marknaden - en förutsägande förståelse för hur markmikrobiomet interagerar med och påverkar växttillväxt saknas.

"Det finns miljontals arter av mikrober per kubikcentimeter jord, "Sa Brown." När du närmar dig växtroten och dess inre vävnader, du går från miljoner till dussintals. Så växter gör ett exceptionellt jobb med att odla sina mikrobiomer. De släpper ut material, inklusive antimikrobiella föreningar, att selektivt döda oönskade mikrober, och de släpper mat för att stimulera nyttiga mikrober. Det är en mycket symbiotisk och enormt komplex interaktion, och vi förstår nästan ingenting om det."

Överbryggar 18 storleksordningar

Utmaningen kommer att vara att ta reda på orsak-och-verkan-sambandet mellan de mikrobiella förändringarna och växttillväxt. "Du försöker koppla händelser vid tidsskalor som är relevanta för molekyler till händelser som inträffar under loppet av en sexmånaders växtsäsong, "sa Brown." Du försöker överbrygga något som 18 storleksordningar över spatiotemporala skalor. Det är allvarligt icke-trivialt."

Det är där drönarna kommer in.

Hyperspektrala sensorer på drönarna kommer att kunna detektera ljusreflektans från växterna och se hundratals kanaler med spektra, från det synliga till nära infrarött. "Det mänskliga ögat har bara tre kanaler - röda, grön, och blått, "sa Wainwright." Du kan se om ett blad ser gult eller grönt ut. Men med hundratals kanaler kan du mäta kol- och kvävehalt, och du kan berätta mycket om växthälsa, växtsjukdom, eller bladkemi, som alla påverkar skörden."

Dessutom, ytgeofysiska tekniker används för att kartlägga markens elektriska egenskaper i 3D, som i hög grad kontrollerar markens mikrobiella aktiviteter.

Maskininlärning är verktyget som kommer att knyta ihop all data. "Den teamvetenskapliga tillvägagångssättet som banat väg vid Berkeley Lab kommer att användas för att integrera all information inom maskininlärningskontexten, "sade Wainwright." Vårt yttersta mål är att ge lantbrukssamhället användbar intelligens. "

För närvarande har bönderna ingen sådan information, även om tjänster och produkter har vuxit fram och tillhandahåller olika "big data"-lösningar. "Alla privata företag har ett stort incitament att låsa sina egna datamängder, så de kan inte användas tillsammans med andra datamängder, " sa Wainwright. "Det är där den offentliga sektorn, som Berkeley Lab, kan gå in. Vi är inte motiverade av vinst."

Den vetenskapliga utmaningen är formidabel men inte oöverstiglig. "Vi tycker att det är ett löst problem, och vi hoppas kunna bevisa det under nästa år, " sa Brown.