|
ИИ помогает ученым проектировать растения
|
|
|
|
Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) заявила, что удаление углерода из атмосферы в настоящее время имеет важное значение для борьбы с изменением климата и ограничения глобального повышения температуры. Чтобы поддержать эти усилия, ученые Института Солка используют естественную способность растений извлекать углекислый газ из воздуха, оптимизируя их корневую систему для накопления большего количества углерода в течение более длительного периода времени. Для создания этих растений, сберегающих климат, ученые из инициативы Salk по использованию растений используют новый сложный исследовательский инструмент под названием SLEAP - простое в использовании программное обеспечение с искусственным интеллектом (ИИ), которое отслеживает множество особенностей роста корней. Созданный сотрудником Salk Талмо Перейрой, SLEAP изначально предназначался для отслеживания передвижения животных в лаборатории. Теперь Перейра объединился с ученым-растениеводом и коллегой из Salk профессором Вольфгангом Бушем, чтобы применить SLEAP к растениям.
|
|
|
|
В исследовании, опубликованном в журнале Plant Phenomics, Буш и Перейра представили новый протокол использования SLEAP для анализа фенотипов корней растений — насколько глубоко и широко они растут, насколько массивной становится их корневая система и другие физические качества, которые до появления SLEAP было сложно измерить. Применение SLEAP к растениям уже позволило исследователям составить самый обширный на сегодняшний день каталог фенотипов корневой системы растений. Более того, отслеживание физических характеристик корневой системы помогает ученым находить гены, связанные с этими характеристиками, а также определять, определяются ли различные характеристики корней одними и теми же генами или независимо друг от друга. Это позволяет команде Солка определить, какие гены наиболее полезны для дизайна их растений. "Это сотрудничество действительно является свидетельством того, что делает науку Солка такой особенной и впечатляющей", - говорит Перейра. "Мы не просто "заимствуем" из разных дисциплин — мы действительно ставим их в равное положение, чтобы создать нечто большее, чем просто сумму составляющих".
|
|
|
До использования SLEAP отслеживание физических характеристик как растений, так и животных требовало больших затрат труда, что замедляло научный процесс. Если бы исследователи захотели проанализировать изображение растения, им нужно было бы вручную отметить те части изображения, которые являются растением, а не являются им — кадр за кадром, часть за частью, пиксель за пикселем. Только после этого можно было применить более старые модели искусственного интеллекта для обработки изображения и сбора данных о структуре растения. Что отличает SLEAP от других, так это уникальное использование как компьютерного зрения (способности компьютеров понимать изображения), так и глубокого обучения (подход искусственного интеллекта к обучению компьютера тому, как учиться и работать подобно человеческому мозгу). Такая комбинация позволяет исследователям обрабатывать изображения, не перемещаясь пиксель за пикселем, вместо этого пропуская этот промежуточный трудоемкий этап и сразу переходя от ввода изображения к определенным характеристикам растений.
|
|
|
|
"Мы создали надежный протокол, проверенный на различных типах установок, который сокращает время анализа и человеческие ошибки, делая акцент на доступности и простоте использования, и не требует внесения изменений в программное обеспечение SLEAP", - говорит первый автор Элизабет Берриган, аналитик по биоинформатике в лаборатории Буша. Не изменяя базовую технологию SLEAP, исследователи разработали загружаемый набор инструментов для SLEAP под названием sleap-roots (доступен в виде программного обеспечения с открытым исходным кодом здесь). С помощью sleap-roots SLEAP может обрабатывать биологические характеристики корневой системы, такие как глубина, масса и угол роста. Команда ученых протестировала пакет sleap-roots на различных растениях, включая такие культурные растения, как соя, рис и рапс, а также модельный вид растений Arabidopsis thaliana — цветущий сорняк семейства горчичных. В ходе испытаний различных растений они обнаружили, что новый метод, основанный на SLEAP, превосходит существующие методы благодаря тому, что аннотирование выполняется в 1,5 раза быстрее, обучение модели искусственного интеллекта - в 10 раз быстрее, а прогнозирование структуры растений на основе новых данных - в 10 раз быстрее, и все это с той же или большей точностью, чем раньше.
|
|
|
|
Наряду с масштабными усилиями по секвенированию генома для выяснения генотипических данных большого числа сортов сельскохозяйственных культур, эти фенотипические данные, такие как корневая система растения, растущая особенно глубоко в почве, могут быть экстраполированы для понимания генов, ответственных за создание этой особенно глубокой корневой системы. Этот шаг — объединение фенотипа и генотипа — имеет решающее значение в миссии Salk по созданию растений, которые удерживают больше углерода и служат дольше, поскольку таким растениям потребуется более глубокая и прочная корневая система. Внедрение этого точного и эффективного программного обеспечения позволит в рамках инициативы "Использование растений" с поразительной легкостью и скоростью связывать желаемые фенотипы с целевыми генами. "Мы уже смогли создать самый обширный на сегодняшний день каталог фенотипов корневой системы растений, что действительно ускоряет наши исследования по созданию растений, улавливающих углерод, которые борются с изменением климата", - говорит Буш, заведующий кафедрой растениеводства Hess в Salk. "Благодаря профессиональному программному обеспечению Talmo, SLEAP было так просто применять, и в дальнейшем оно станет незаменимым инструментом в моей лаборатории".
|
|
|
|
Доступность и воспроизводимость были приоритетными задачами Перейры при создании SLEAP и sleap-roots. Поскольку программное обеспечение и набор инструментов sleap-roots доступны бесплатно, исследователи с нетерпением ждут, как sleap-roots будет использоваться во всем мире. Они уже начали переговоры с учеными НАСА, надеясь использовать этот инструмент не только для управления растениями, поглощающими углерод на Земле, но и для изучения растений в космосе. В Salk команда collaborative еще не готова к расформированию — они уже приступают к решению новой задачи - анализу 3D-данных с помощью SLEAP. Усилия по совершенствованию, расширению и совместному использованию SLEAP и sleap-roots будут продолжаться еще долгие годы, но их использование в инициативе Солка по использованию растений уже ускоряет разработку растений и помогает Институту оказывать влияние на изменение климата.
|
|
|
|
Источник
|
