Skoltech Agro (Агротех Хаб) Фонда Сколково: что это и чем занимается

Агротек хаб Фонда «Сколково» – это цифровая лаборатория в Сколтехе, созданная для фундаментальных исследований в области сельского хозяйства (с/х). Исследования и технологии ориентированы на обеспечение устойчивого развития агропромышленного сектора экономики.

О месте и миссии

Лаборатория была открыта в феврале 2020 года как центр высокоэффективных междисциплинарных исследований, направленных на развитие имеющихся знаний, а также внедрение инноваций в с/х.

AgroLab тесно сотрудничает с промышленниками и учёными. Это позволяет получать  большие массивы статистических данных по экспериментам в области наук о растениях, животных, точного земледелия и создавать последовательную многоступенчатую исследовательскую структуру.

Помимо научно-экспериментальной работы, AgroLab занимается обучением действующих специалистов из ведущих российских исследовательских центров, а также агрокомпаний. На базе лаборатории разработана прикладная образовательная программа для подготовки руководителей, способных совершенствовать секторы пищевого, кормового и сельскохозяйственного производства.

Образование

Программа PhD «Агробиотехнологии и инженерия» призвана обучить студентов развивать исследовательско-инновационную деятельность в динамичном секторе агропромышленных отраслей (АПК) и стартапов. Трек посвящен селекции растений и животных с применением генетических/геномных подходов (включая вычислительные методы) и биотехнологий, а также анализу состояния окружающей среды на основе цифровых данных. Цель проекта – повышение эффективности, устойчивости и прибыльности с/х – одного из наиболее стабильно развивающегося сектора российской экономики.

Выпускники программы получают знания и навыки, необходимые для:

• решения исследовательских задач, обусловленных прикладным спросом со стороны АПК;
• разработки и управления исследовательскими инициативами в компаниях, университетах, других организациях;
• создания прототипов на основе инновационных идей, необходимых для решения имеющихся проблем, а также удовлетворения потребительских потребностей.

Выпускники смогут построить карьеру в:

1. Промышленности. Стать руководителями компаний АПК или возглавить научно-исследовательские предприятия (отделы в крупных компаниях):
   • внедряющие инновации в селекцию растений и животных, производство семян;
   • развивающие биотехнологии, цифровое сельское хозяйство, интеллектуальное управление растениеводством и животноводством;
   • совершенствующие мониторинг, методы оптимизации, диагностики;
   • оказывающие консультационные услуги.

2. Науке, продолжая исследования в ведущих российских и международных университетах, а также специализированных ​организациях.
3. Бизнесе, открывая новые направления в АПК самостоятельно или через экосистему «Сколково» с её обширным сообществом экспертов, партнёров, наставников, инвесторов.

Проекты

Совместно с партнёрами проектный центр агротехнологий разрабатывает пилотные решения, демонстрирующие осуществимость, а также инновационную ценность исследований и технологий. Результаты разработок – продукты, услуги или процессы, продвигающие вперёд научно-технологические достижения. Это могут быть:

• новые сорта растений и породы животных;
• молекулы или штаммы микробов;
• патенты на гены;
• программное обеспечение и алгоритмы;
• организация цепочек поставок или систем сертификации.

Типизация окружающей среды

Энвайротипирование и цифровизация

В рамках этого проекта будет разработана система прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур следующего поколения, учитывающая последствия изменения климата. Прогноз урожайности имеет решающее значение для лиц, принимающих решения на уровне фермы, региона, страны для быстрого обоснованного принятия решений.

Точный и ранний прогноз урожайности поможет:

• фермерам определить, что и когда выращивать;
• правительствам принимать решения о выплатах по страхованию урожая;
• руководителям министерств планировать экспорт.

Новая система позволит точнее прогнозировать урожайность на текущий сельскохозяйственный сезон, а также на ближайшую перспективу, учитывая прогнозы изменения климата.

Урожайность агрокультур неразрывно связана с наличием достаточного количества воды в почве на разных этапах роста культуры. При отсутствии необходимого количества легкодоступной воды в критические периоды роста урожайность значительно падает. Растения, испытывающие водный дефицит, не могут наращивать достаточную биомассу, что, в свою очередь, приводит к слабому цветению, низкой продуктивности.

Энвайротипирование основано на использовании научно-информационного подхода, направленного на количественную оценку взаимосвязи между доступными водными ресурсами, стадией роста и урожайностью для различных типов и подтипов агрокультур. Такая оценка, основанная на архивной информации, позволит получить прогнозные оценки урожайности в зависимости от ожидаемых сценариев погоды/климата в ближайшее время.

Система будет включать:

• сведения по урожайности и экологические показатели за прошлые периоды с начала ведения системных наблюдений;
• модели прогнозирования погоды для создания вероятных климатических сценариев на период 5-10 лет;
• фенологию агрокультур, а также генетические особенности, характерные для России;
• информацию по конкретному объекту: о состоянии почвы, динамике воды, внесении удобрений;
• методы для преодоления недостатков существующих алгоритмов, учитывающих при оценке будущего урожая только пространственные данные.

Запуск и отладка системы станет мощным импульсом в развитии отечественного сельского хозяйства. Так, например:

• прогноз урожайности на текущий сезон поможет оценить вероятный объём возврата инвестиций;
• прогнозирование урожайности на ближайшие годы на основе климатических прогнозов поможет планировать будущие операции по посадке – сорт, время, объём, а также расставить приоритеты в селекции сельскохозяйственных культур на последующие сезоны;
• определение сценариев засухи в ближайшем будущем повысит эффективность использования ресурсов (воды, удобрений), а также поможет запланировать мероприятия, нивелирующие серьёзные последствия потенциальных сезонных засух.

Агроинформатика

В рамках этой инициативы будут разработаны информационные панели с аналитической информацией о:

• погоде (прошлой, текущей и будущей);
• потенциале болезней, вредителей;
• состоянии почвы;
• качестве и количестве воды;
• пригодности агропромышленных культур (в виде карт).

Внедрение информационной панели с аналитикой и информацией на основе исторических, а также прогнозируемых данных будет полезной для лучшего понимания экологических проблем. Неустойчивая погода, экстремальные явления (сильные ураганы, засуха, изменение поведения насекомых из-за погоды) —  это факторы окружающей среды, которые потенциально могут иметь серьёзные последствия для агробизнеса. Использование цифровой информации для понимания изменений условий окружающей среды может помочь фермерам:

• подготовиться к трудностям;
• максимально использовать возможности;
• свести к минимуму потери ресурсов.

Аналитика данных даст возможность производителям наблюдать за состоянием агрокультур практически в реальном времени, предоставлять прогнозную аналитику будущих урожаев, принимать решения по управлению ресурсами на основе проверенных тенденций.

Лучшее понимание переменных окружающей среды приводит к повышению производительности. На основе аналитической информации, а также применяя ПО, можно будет принимать более точные решения относительно операций и возможностей максимизации ресурсов. Например:

• какой сорт культуры лучший для региона;
• когда, где и как сажать;
• даты начала и окончания заморозков;
• будущие зоны холодостойкости;
• температура, осадки, ветер, влажность, другие метеорологические прогнозы.

В настоящее время для российских условий не существует такой комплексной информационной панели или набора инструментов. Разработка продукта для России будет выгодна как для АПК, так и для правительств всех уровней при планировании имеющихся ресурсов.

Селекция животных

Внедрение геномной селекции в молочной отрасли России

Рентабельность системы производства молочного скота определяется рядом производственных, а также воспроизводственных показателей. Полвека назад значительно увеличить удои удалось за счёт внедрения метода искусственного оплодотворения. Применение генетических связей на основе родословной решило уравнение смешанной модели и позволило прогнозировать племенную ценность каждого животного.

В 2000 году был предложен новый метод оценки, позволяющий использовать вариации ДНК с целью повышения скорости генетического прироста у молочного скота. В 2009 году эту методику усовершенствовали, научившись использовать информацию о признаках родословных генотипов, зашифрованных в ДНК, что значительно повысило точность прогнозов.

Используя имеющиеся наработки, команда селекционеров Агротека собирается запустить проект по разведению голштинского молочного скота в России. Генетики будут использовать всю доступную родословную, геномную, фенотипическую информацию в стране, а также в международной БД для прогнозирования. Результаты будут немедленно внедрены в агрохозяйства.

Внедрение геномной селекции в программы разведения насекомых

Генетическое улучшение чёрной львинки. Утилизация бытовых отходов с точки зрения сбора, транспортировки, а также хранения давно превратилась в серьёзную глобальную проблему. Несмотря на все усилия, биоотходы в основном попадают на свалку, создавая опасные проблемы для окружающей среды, такие как:

• выбросы токсичных газов;
• ухудшение качества воздуха;
• загрязнение подземных вод;
• ухудшение здоровья людей, живущих рядом со свалками.

Использование насекомых, в частности чёрной львинки, – это прибыльная и устойчивая стратегия, позволяющая одновременно создавать ценности из биологических отходов и способствовать производству высококачественных белков.

Благодаря своей способности питаться разнообразными органическими отходами, чёрная львинка (Hermetia illucens) стала наиболее важным кандидатом на биоконверсию. Личинки мухи – это естественные переработчики органических отходов, а также продуценты белка, жира, хитина и меланина.

Конечный продукт направления по разведению насекомых – это личинки, содержащие 40-60% белка со сбалансированным аминокислотным составом, из которых после переработки получается хороший корм для свиней, птицы и аквакультур. Обработанные личинки также производят фармацевтические молекулы: хитин, лауриновую кислоту, несколько антимикробных пептидов, которые улучшают иммунитет, усвоение питательных веществ, а также скорость роста животных.

В проекте Agrotech hub Фонда «Сколково» оптимизируются некоторые методы селекционной программы, которые были промышленно апробированы для домашней птицы, а также других видов домашнего скота. Селекционеры разрабатывают некоторые специфичные для конкретных характеристик линии (рост/производство/функция), чтобы добиться генетического улучшения на уровне чистой линии. Генномодифицированные линии будут интегрированы в программу «чистого скрещивания линий», в которой конечный продукт (яйца/личинки) получит преимущества от «гетерозиса», феномена «дополняемости линий» и технологии «редактирования генов».

К категории успешно завершённых относится проект по разработке технологии генетической оценки племенных свиней. 3300 свиньям вживили микрочипы высокой плотности для генотипирования, при помощи которых можно:

• проводить масс-спектрометрический анализ образцов мышечной и жировой ткани мяса;
• создавать БД геномной изменчивости племенных свиней, липидного состава их жировой и мышечной тканей;
• разрабатывать и интегрировать панели LD SNP в процедуру геномной селекции свиней.

Селекция растений

Ряд проектов уже завершён:

1. Разработка технологии ускоренной селекции подсолнечника и рапса. В результате 600 образцов подсолнечника, а также 100 образцов рапса были подвергнуты генотипированию и молекулярному фенотипированию, что позволило:
   • выявить ассоциации аллельных состояний локусов генома с хозяйственно полезными признаками подсолнечника и рапса;
   • получить индивидуальный прототип чипа ДНК подсолнечника;
   • зарегистрировать 2 БД – генотипы и фенотипы масличных культур;
   • получить патент на SNP-панель маркеров жирнокислотного состава семян подсолнечника.

2. Разработка прототипа инновационной программы селекции сои.
3. Разработка молекулярных маркеров для ключевых признаков рапса.

В Агротек хаб Фонда «Сколково» продолжается работа по:

1. Поиску генов устойчивости к стрессовым факторам органического, а также неорганического происхождения и создание стрессоустойчивых линий ячменя и люпина при помощи технологий редактирования генома, а также ионизирующих излучений.
2. Изучению преимуществ методов ускоренной селекции и множественных родительских популяций для создания новых генетических ресурсов сои.
3. Внедрению геномного редактирования в агрокультур.