זיהוי מוקדם של טפילות עלקת מצרית בעגבניות תעשייה באמצעות חישה מרחוק

יהודית שמיר^1,2, גיא עצמון^1,2, חנן איזנברג^1,2, ורן לאטי¹

¹המחלקה לפתולוגיה של צמחים וחקר עשבים, מנהל המחקר החקלאי, מרכז מחקר נווה יער.

²הפקולטה לחקלאות, מזון וסביבה ע"ש רוברט ה. סמית, האוניברסיטה העברית בירושלים, רחובות.

מבוא

עלקת מצרית (Phelipanche aegyptiaca) הינה צמח טפיל שורש מוחלט אשר מהווה מזיק משמעותי לגידולים חקלאיים וביניהם עגבניות לתעשייה, כאשר בגידול זה פוטנציאל הנזק ליבול גבוה במיוחד. קוטלי עשבים כימיים הינם האמצעי היעיל ביותר להדברת עלקת (Eizenberg and Goldwasser, 2018). ממשקי ההדברה הקיימים כיום מתעלמים לחלוטין מהשונות המרחבית הקיימת בשדות וחומרי ההדברה מיושמים בצורה הומוגנית על כל השדה. ניתן להניח כי נעשה שימוש מיותר בכמות רבה של קוטלי עשבים ביישום באזורים בהם לא קיימת עלקת. בנוסף, בררנות קוטל העשבים קדרה בעגבניות לתעשייה הינה חלקית ויישומו גורר לעתים פגיעה ביבול בשל פגיעה בפריחה, חנטה והתפתחות הפרי.

מתוך כך, קיים צורך בפיתוח כלים לזיהוי מוקדם של עלקת, בשלב הטפילות התת-אדמתי, אשר יאפשרו טיפול נקודתי ומדויק כנגד עשב זה. הדברת עשבים מדייקת (Site Specific Weed Management) הינה אחת הגישות הננקטות במטרה לצמצם את כמויות קוטלי העשבים המיושמים. גישה זו מתבססת על רכישת מידע תמונתי באמצעות חיישנים שונים (RGB, היפר\מולטי ספקטרלי) המזהים את מיקום העשבים במרחב השדה ומפרידים אותם מגידול התרבות כבסיס ליישום מדויק. עם זאת, עבור עלקת משימה זו מאתגרת במיוחד מכיוון שרוב שלבי הצימוח של עשב זה מתרחשים מתחת לאדמה ולכן גישות הזיהוי המקובלות אינן יעילות.

מחקר זה הינו חלק ממחקר רחב שנערך בשנים האחרונות בנווה יער ועוסק בפיתוח גישות מבוססות חישה ספקטרלית לזיהוי הדינמיקה של טפילות עלקת במגוון גידולים. השערת המחקר מניחה כי הטפילות מלווה בעקה לצמח התרבות אשר משפיעה על התפתחותו התקינה ועל אופי ההחזר הספקטרלי שלו, ובכך צמח הגידול מהווה סמן לטפילות. עבודות קודמות שבוצעו בחמנית הראו כי ניתן לזהות את הטפילות של עלקת החמנית לגידול באמצעות חישה מרחוק, בשלב מוקדם, מספר ימים בודדים לאחר הטפלה עוד בטרם הגיחה מעל פני הקרקע ובטרם נראו סימני עקה על עלוות הצמח (Atsmon et al., 2022; Cochavi et al., 2017). בעבודה נוספת אשר עסקה בטפילות של עלקת מצרית ועלקת חרוקה בגזר אופיינה חתימה ספקטרלית שהינה ייחודית לסימפטומים של טפילות עלקת והודגם כי היא מופיעה בעלווה של צמחים טפולים בלבד, כבר בשלבים מוקדמים של הטפילות (Atsmon et al., 2024).

מטרת המחקר הנוכחי הינה פיתוח מודלים לזיהוי עלקת מצרית בעגבניות לתעשייה בשלבי טפילות מוקדמים, אשר יאפשרו לפתח כלים להדברה מדויקת בזמן ובמרחב. מטרת משנה הינה לבצע את המעבר מחישה ברזולוציה ספקטרלית גבוהה (היפר-ספקטרלית) ורזולוציה מרחבית גבוהה (פלטפורמה קרקעית), לרזולוציות ספקטרליות ומרחביות נמוכות יותר אשר מאפיינות אמצעי חישה פשוטים וזולים יותר שנמצאים כבר היום בשימוש במשימות של חקלאות מדייקת (חיישנים מולטי-ספקטרליים נישאים על גבי רחפן). לשם כך, נדרש קודם לכן ללמוד את השינויים הפיזיולוגים המתרחשים בצמח עם טפילות ואת השפעת שינויים אלו על המופע הספקטרלי הייחודי לצמחי עגבנייה הטפולים בעלקת מצרית.

ניסויים

במהלך שנת 2023 נערכו שני ניסויים לזיהוי עלקת מצרית בעגבניות תעשייה.

בית רשת

הניסוי כלל 40 צמחי עגבנייה שגודלו בעציצים של 5 ל' בבית רשת, בשתי קבוצות טיפול: אילוח בעלקת מצרית (15 ppm) וקבוצת ביקורת ללא אילוח. לאורך העונה הצמחים צולמו במצלמה היפר-ספקטרלית קרקעית Specim IQ (400-1000nm) בחמישה מועדים על בסיס שבועי (227, 287, 372, 444 ו – 492 ימי מעלה) (איור 1). מועדי הצילום תוזמנו לשלבים המוקדמים של הטפילות על בסיס מודל פקעית. בנוסף, בכל מועד נערכו מדידות של ריכוז פיגמנטים (כלורופיל, אנטוציאנין וקרוטנואידים) בעלוות הצמחים. מדידות נוספות שבוצעו כללו משקל יבש ורטוב של הצמחים בסוף העונה וריכוזי חנקן, מגנזיום, אשלגן וזרחן.

ניסוי שדה

חלקת עגבניות תעשייה צולמה על ידי רחפן נושא חיישן מולטיספקטרלי (MicaSense Dual). הצילום התבצע לפני הצצה של תפרחות העלקת (850 GDD). מספר שבועות לאחר מכן, החלקה נסרקה וכתמים אשר בהם זוהו תפרחות עלקת (60 פוליגונים) סומנו באמצעות RTK-GPS. כמו כן, סומנו גם כתמים בשדה בהן לא זוהו תפרחות עלקת (50 פוליגונים) וכתמים אלו שימשו כביקורת (איור 2). על מנת לחלץ את ערכי ההחזר הספקטרלי הממוצע של כל פוליגון נעשה שימוש בתכנת ArcGIS^® 10.6 (ESRI, Redlands, CA, USA). פיקסלים של קרקע הוצאו באמצעות שימוש בערכי סף של אינדקס NDVI, וערך ההחזר הממוצע של כל פוליגון חולץ באמצעות פונקציית Zonal Statistics as Table.

תוצאות ודיון

במחקר זה נבחנה היכולת לזהות טפילות עלקת מצרית בעגבניות לתעשייה באמצעות חישה ספקטרלית מקרוב (מצלמה היפרספקטרלית קרקעית) ומרחוק (חיישן מולטי ספקטרלי נישא על גבי רחפן), ונבחנו שינויים בתכונות צמחיות בין צמחים עם וללא טפילות. תוצאות הניסוי המבוקר בבית הרשת מראות כי ממוצע ההחזר הספקטרלי של עלוות צמחי עגבנייה טפולים שונה מזו של צמחים ללא טפילות (איור 3).

דפוס ההחזר מצמחי עגבנייה טפולים אשר הינו גבוה יותר באזור הנראה ( nm400-700) ונמוך יותר באזור ה Near infra-red (NIR, 700-1000 nm), לעומת ההחזר מצמחים ללא טפילות, הינו בהסכמה עם תוצאות מחקרים קודמים אשר עסקו בזיהוי טפילות עלקת בחמנית ובגזר (Atsmon et al., 2024, 2022; Cochavi et al., 2017). בחינת ההבדלים בתכונות צמחיות מדגימה כי בצמחים טפולים תכולת הפיגמנטים כלורופיל, אנטוציאנין וקרוטנואידים והמינרלים זרחן, אשלגן וכלור, נמוכה יותר באופן מובהק לעומת צמחים ללא טפילות עלקת (איור 4 ו – 5, בהתאמה).

ירידה בתכולת הפיגמנטים בצמח ידועה כגורם לערכי החזר גבוהים באזור הנראה. במחקר בחמנית, הודגם כי ערכי החזר נמוכים באזור ה NIR בצמחים עם טפילות עלקת קשורים לעלייה בחלל הבין תאי בשכבת המזופיל העמודי בעלים. בניסוי זה נלקחו דגימות מזופיל לבחינת התופעה בעגבניות, אך טרם התבצע ניתוח של הנתונים. כל התוצאות לעיל מתייחסות למצב הצמח במועד המדידות האחרון, לאחר 497 ימי מעלה.

מתוצאות ניסוי השדה, עולה כי על אף הירידה ברזולוציה הספקטרלית והמרחבית המאפיינת צילום מרחפן, ועל אף תנאי השדה אשר עשויים לכלול הפרעות כגון עקות נוספות אשר יכולות להשפיע על ההחזר של הצמחים, תנאי תאורה משתנים ועוד, ניתן לזהות הבדלים בהחזר הספקטרלי בין כתמים טפולים בשדה לכתמים ללא טפילות (איור 6).

ניתן לראות כי בדומה לניסוי הראשון, גם כאן ההחזר הספקטרלי שהתקבל מכתמים טפולים בשדה היה נמוך יותר באזור ה NIR לעומת ההחזר מכתמים ללא טפילות. בניסוי זה, כאשר יחידות המידע הינן כתמים של נוף העגבנייה, ירידה בהחזר ה NIR עשויה להיות קשורה גם לירידה בצפיפות הנוף בצמחים עם טפילות. לבסוף, נתוני ההחזר הספקטרלי שחולצו מתוך תמונות הרחפן בניסוי השדה, שימשו לאימון מודלים של לימוד מכונה, במטרה לבחון את יכולת הסיווג בין צמחים עם וללא טפילות עלקת בשדה. תוצאות ראשוניות מראות כי ניתן לזהות טפילות בשדה ברמות דיוק שמגיעות ל 79%.    

סיכום

תוצאות המחקר מאששות כי ניתן באמצעות שיטות סטטיסטיות מתקדמות לזהות טפילות עלקת מתוך מידע תמונתי של עלוות צמחי העגבנייה, עוד בשלבי טפילות מוקדמים לפני הצצת תפרחות העלקת. במהלך השנים הקרובות, נתמקד בניסיון לשפר את ביצועי המודלים באמצעות התייחסות לשונות הספקטרלית הקיימת בעלוות הפונדקאי ולמגמת ההחזר הספקטרלי לאורך שלבי הטפילות המוקדמים, גורמים אשר הודגמו במחקרים בחמנית ובגזר כמשמעותיים. בנוסף, כחלק מתכנית BARD בנושא זה אשר החלה לפעול בשנת 2024 בשיתוף עם חוקרים מאוניבריסטת דייויס בקליפורניה, נפתח מודלים לזיהוי עלקת אשר יהיו מבוססים על מידע לוויני המתאפיין ביתרונות משמעותיים מבחינת כיסוי שטח וזמינות. מטרת התכנית העיקרית הינה לספק מפות של נגיעות עלקת בחלקות עגבניות לתעשייה, בשלבים מוקדמים של הטפילות, שיאפשרו לתמוך בקבלת החלטות של מגדלים בשלבים קריטיים במהלך העונה. מטרה נוספת של הפרויקט הינה יצור מאגר נתונים אשר כולל היסטוריה של נגיעות עלקת בחלקות אשר עשוי לסייע בתהליך קבלת ההחלטות טרם העונה.

מקורות ספרות

Atsmon, G., Nehurai, O., Kizel, F., Eizenberg, H., Lati, R.N., 2022. Hyperspectral imaging facilitates early detection of Orobanche cumana below-ground parasitism on sunflower under field conditions. Comput. Electron. Agric. 196, 106881. https://doi.org/10.1016/j.compag.2022.106881

Atsmon, G., Pourreza, A., Kamiya, Y., Mesgaran, M.B., Kizel, F., Eizenberg, H., Nisim Lati, R., 2024. Clustering symptomatic pixels in broomrape-infected carrots facilitates targeted evaluations of alterations in host primary plant traits. Comput. Electron. Agric. 220, 108893. https://doi.org/10.1016/j.compag.2024.108893

Cochavi, A., Rapaport, T., Gendler, T., Karnieli, A., Eizenberg, H., Rachmilevitch, S., Ephrath, J.E., 2017. Recognition of orobanche cumana below-ground parasitism through physiological and hyper spectral measurements in sunflower (Helianthus annuus L.). Front. Plant Sci. 8, 1–12. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.00909

Eizenberg, H., Goldwasser, Y., 2018. Control of egyptian broomrape in processing tomato: A summary of 20 years of research and successful implementation. Plant Dis. 102, 1477–1488. https://doi.org/10.1094/PDIS-01-18-0020-FE