Здоровье и рост корневой системы имеют серьезные последствия для нашего будущего.
Наша способность выращивать достаточно еды, чтобы поддерживать население, несмотря на меняющийся климат, и фиксировать углерод из атмосферы в почве, имеет решающее значение для нашего выживания и выживания других видов.
По мнению Бакша, решения заключаются в свойствах корней.
"Когда в мире есть проблема, люди могут двигаться. Но что делает растение?" он спросил. "Он говорит:" Давайте изменим наш геном, чтобы выжить.’Он развивается."
До недавнего времени у фермеров и селекционеров не было хорошего способа собирать информацию о корневой системе растений или принимать решения об оптимальных семенах для выращивания глубоких корней.
В статье, опубликованной в этом месяце в журнале «Физиология растений», Бакш и его коллеги представляют DIRT / 3D (Digital Imaging of Root Traits), платформу для трехмерного фенотипирования корней на основе изображений, которая может измерять 18 архитектурных черт из зрелых корней корней кукурузы, выращенных в полевых условиях, извлеченных с использованием Техника лопатомики.
В их экспериментах система надежно рассчитала все признаки, включая расстояние между мутовками, количество, углы и диаметр узловых корней для 12 контрастных генотипов кукурузы с 84-процентным соответствием с ручными измерениями.
Исследование поддержано программой ROOTS Агентства перспективных исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E) и наградой CAREER от Национального научного фонда (NSF).
«Эта технология упростит анализ и понимание того, что корни делают в реальных полевых условиях, и, следовательно, упростит разведение будущих культур для удовлетворения потребностей человека», – сказал Джонатан Линч, заслуженный профессор растениеводства и соавтор, чей исследования направлены на понимание основ адаптации растений к засухе и низкому плодородию почвы.
DIRT / 3D использует моторизованную камеру, которая делает 2000 изображений на корень со всех сторон. Он использует кластер из 10 микрокомпьютеров Raspberry Pi для синхронизации захвата изображений с 10 камер, а затем передает данные в CyVerse Data Store – национальную киберинфраструктуру для академических исследователей – для трехмерной реконструкции.
Система генерирует трехмерное облако точек, которое представляет каждый корневой узел и виток – «цифровой двойник корневой системы», согласно Бакшу, которое можно изучать, сохранять и сравнивать.
Сбор данных занимает всего несколько минут, что сравнимо с МРТ или рентгеновским аппаратом. Но строительство буровой установки стоит всего несколько тысяч долларов вместо полумиллиона, что делает технологию масштабируемой для выполнения высокопроизводительных измерений тысяч образцов, что необходимо для создания новых сельскохозяйственных культур для фермеров. Тем не менее, 3D-сканер также дает возможность фундаментальной науки и решает проблему предвзятости предварительного отбора из-за ограничений образцов в биологии растений.
«Биологи в первую очередь обращают внимание на одну наиболее распространенную корневую структуру – то, что мы называем доминантным корневым фенотипом», – объяснил Бакш. "Но люди забыли обо всех других фенотипах. У них может быть функция и роль, которые нужно выполнять. Но мы называем это просто шумом, – сказал Бакш. "Наша система изучит этот шум в 3D и увидит, какие функции могут иметь эти корни."
Люди, которые используют DIRT / 3D для изображения корней, скоро смогут загружать свои данные в службу под названием PlantIT, которая может выполнять те же анализы, которые Бакш и его сотрудники описывают в своей недавней статье, предоставляя информацию по широкому спектру черт от молодых узловых точек. длина корня до эксцентриситета корневой системы.
Эти данные позволяют исследователям и селекционерам сравнивать корневые системы растений из одних и тех же или разных семян.
Фреймворк стал возможным благодаря огромным возможностям обработки чисел за кулисами.
Они предоставляются Техасским вычислительным центром (TACC), который получает огромные объемы данных от CyVerse Cyberinfrastructure для вычислений.
Хотя для изображения корневой коронки требуется всего пять минут, обработка данных для создания облака точек и количественной оценки функций занимает несколько часов и требует параллельных вычислений множеством процессоров.
Бакш использует финансируемый NSF суперкомпьютер Stampede2 в TACC за счет выделения ресурсов от Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) для проведения своих исследований и обеспечения работы общедоступных серверов DIRT / 2D и DIRT / 3D.
DIRT / 3D – это эволюция предыдущей 2D-версии программного обеспечения, которое может получать информацию о корнях, используя только камеру мобильного телефона. С момента запуска в 2016 году DIRT / 2D зарекомендовал себя как полезный инструмент в этой области. Его используют сотни ученых-растениеводов по всему миру, в том числе исследователи из ведущих агропромышленных предприятий.
Проект является частью программы ARPA-E ROOTS, направленной на разработку новых технологий, которые увеличивают накопление углерода в почве и корневой системе растений.
«Платформа DIRT / 3D позволяет исследователям выявлять новые признаки корней у сельскохозяйственных культур и разводить растения с более глубокими и обширными корнями», – сказал директор программы ARPA-E ROOTS д-р. Дэвид Бэбсон. «Разработка такого рода технологий будет способствовать смягчению последствий изменения климата и повышению устойчивости, а также даст фермерам инструменты для снижения затрат и повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Мы очень рады видеть прогресс, достигнутый командой PSU и UGA в процессе получения награды."
Инструмент привел к открытию нескольких генов, отвечающих за корневые признаки. Бакш цитирует недавнее исследование устойчивости к Striga hermanthica у сорго как результат, который он надеется для пользователей DIRT / 3D. Стрига, сорняк-паразит, регулярно уничтожает урожай сорго на огромных территориях Африки.
Ведущий исследователь Дорота Кава, доктор медицинских наук в Калифорнийском университете в Дэвисе, обнаружила, что существуют некоторые формы сорго с корнями, устойчивыми к стриге. Она извлекла черты из этих корней с помощью DIRT / 2D, а затем сопоставила эти черты с генами, которые регулируют высвобождение химических веществ в корнях, которые запускают прорастание стриги у растений.
DIRT3D улучшает качество корневых характеристик, выполненных с помощью DIRT / 2D, и фиксирует функции, которые доступны только при сканировании в 3D.
Ожидается, что в ближайшие годы проблемы, с которыми столкнутся фермеры, возрастут в связи с увеличением количества сквозняков, более высокими температурами, низким плодородием почвы и необходимостью выращивать продукты питания с меньшими выбросами парниковых газов. Корни, адаптированные к этим будущим условиям, помогут снизить нагрузку на запасы пищи.
«Потенциал DIRT / 3D помогает нам жить на более жаркой планете и получать достаточно еды», – сказал Бакш. "Это всегда слон в комнате. Может наступить момент, когда эта планета больше не сможет производить достаточно еды для всех, и я надеюсь, что мы, как научное сообщество, сможем избежать этого, создав более приспособленные к засухе и улавливающие СО2 растения."