Οι επιστήμονες στο Salk αξιοποιούν τη φυσική ικανότητα των φυτών να απορροφούν διοξείδιο του άνθρακα και ενισχύουν τώρα τα ριζικά τους συστήματα. Αυτή η βελτιστοποίηση όχι μόνο στοχεύει να αυξήσει την ποσότητα άνθρακα που αποθηκεύεται, αλλά και να παρατείνει την διάρκεια της αποθήκευσής του.
Για να σχεδιάσουν αυτά τα ενισχυμένα φυτά, οι επιστήμονες του Salk's Harnessing Plants Initiative χρησιμοποιούν ένα εξελιγμένο ερευνητικό εργαλείο που ονομάζεται SLEAP, το οποίο είναι ένα εύχρηστο λογισμικό τεχνητής νοημοσύνης που παρακολουθεί πολλαπλά χαρακτηριστικά της ανάπτυξης των ριζών τους. Το εργαλείο αναπτύχθηκε από τον Dr.Talmo Pereira αρχικά για να παρακολουθεί την κίνηση των ζώων στο εργαστήριο και τώρα, ο Pereira συνεργάζεται με τον καθηγητή Wolfgang Busch για να εφαρμόσουν το SLEAP και στα φυτά.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Plant Phenomics , οι Busch και Pereira παρουσίασαν για πρώτη φορά το νέο πρωτόκολλο για τη χρήση του SLEAP στην ανάλυση των φαινοτύπων των ριζών των φυτών (για να δουν για παράδειγμα, πόσο αναπτύσσονται σε βάθος και σε έκταση, πόσο συμπαγή γίνονται τα ριζικά τους συστήματα και άλλες φυσικές ιδιότητες). Η εφαρμογή του SLEAP στα φυτά έχει ήδη επιτρέψει στους ερευνητές να δημιουργήσουν τον πιο εκτεταμένο φαινοτυπικό κατάλογοτου ριζικού συστήματος των φυτών μέχρι σήμερα.
Επιπλέον, η παρακολούθηση αυτών των χαρακτηριστικών του φυσικού ριζικού συστήματος βοηθά τους επιστήμονες να εντοπίσουν και τα γονίδια που συσχετίζονται με αυτά, καθώς και εάν τα πολλαπλά χαρακτηριστικά των ριζών καθορίζονται από τα ίδια γονίδια ή από διαφορετικά. Αυτό επιτρέπει στην ομάδα του Salk να προσδιορίσει ποια γονίδια είναι πιο ωφέλιμα για τον σχεδιασμό των ενισχυμένων φυτών τους.
Πριν από τη χρήση του SLEAP, η παρακολούθηση των φυσικών χαρακτηριστικών τόσο των φυτών όσο και των ζώων απαιτούσε πολλή εργασία που επιβράδυνε την επιστημονική διαδικασία. Εάν οι ερευνητές ήθελαν να αναλύσουν μια εικόνα ενός φυτού, έπρεπε να επισημάνουν καρέ-καρέ τα μέρη της εικόνας και να εφαρμόσουν παλαιότερα μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης για την επεξεργασία της και τη συλλογή δεδομένων.
Αυτό που ξεχωρίζει το SLEAP είναι ο μοναδικός συνδυασμός της υπολογιστικής όρασης και της βαθιάς μάθησης που επιτρέπει στους ερευνητές να επεξεργάζονται εικόνες πολύ γρήγορα εστιάζοντας σε συγκεκριμένα χαρακτηριστικά των φυτών.
«Δημιουργήσαμε ένα ισχυρό πρωτόκολλο δοκιμασμένο σε πολλαπλούς τύπους φυτών που μειώνει τον χρόνο ανάλυσης και το ανθρώπινο λάθος, δίνοντας έμφαση στην προσβασιμότητα και την ευκολία χρήσης», λέει σε ένα δελτίο τύπου η πρώτη συγγραφέας της μελέτης Elizabeth Berrigan, αναλύτρια βιοπληροφορικής στο εργαστήριο του Busch.
Χωρίς να τροποποιήσουν τη βασική τεχνολογία του SLEAP, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια ανοικτή εργαλειοθήκη που ονομάζεται sleap-roots (που διατίθεται ως λογισμικό ανοιχτού κώδικα εδώ). Με το sleap-roots μπορεί να γίνει επεξεργασία βιολογικών χαρακτηριστικών των ριζικών συστημάτων όπως είναι το βάθος, η μάζα και η γωνία ανάπτυξης.
Η ομάδα του Salk δοκίμασε το πακέτο sleap-roots σε μια ποικιλία φυτών, όπως η σόγια, το ρύζι και η κανόλα, καθώς και στο φυτικό Arabidopsis thaliana —ένα ανθοφόρο μικρό φυτό της οικογένειας της μουστάρδας. Σε όλη την ποικιλία των φυτών που δοκιμάστηκε η νέα μέθοδος-που βασίζεται στο SLEAP-ξεπέρασε τις υπάρχουσες πρακτικές, λειτουργώντας 1,5 φορές ταχύτερα, προβλέποντας την δομή των φυτών 10 φορές πιο γρήγορα, όλα με την ίδια ή καλύτερη ακρίβεια από πριν.
Μαζί με την αλληλούχηση γονιδιώματος για την αποσαφήνιση του γονότυπου σε μεγάλους αριθμούς ποικιλιών καλλιεργειών, αυτά τα φαινοτυπικά δεδομένα, μπορούν να συνεισφέρουν στον προσδιορισμό των γονιδίων που είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία για παράδειγμα ενός ιδιαίτερα βαθέως ριζικού συστήματος.
Η σύνδεση του φαινότυπου ,ε τον γονότυπο είναι κρίσιμη στην αποστολή του Salk να δημιουργήσει φυτά που διατηρούν περισσότερο άνθρακα και για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, καθώς αυτά θα χρειαστούν ριζικά συστήματα σχεδιασμένα να είναι βαθύτερα και πιο γερά. Η εφαρμογή αυτού του αποτελεσματικού λογισμικού θα επιτρέψει στους επιστήμονες να συνδέσουν επιθυμητούς φαινότυπους με γονίδια-‘στόχους’ με πρωτοποριακή ευκολία και ταχύτητα.
«Έχουμε ήδη καταφέρει να δημιουργήσουμε τον πιο εκτεταμένο κατάλογο φαινοτύπων του ριζικού συστήματος των φυτών μέχρι σήμερα, κάτι που πραγματικά επιταχύνει την έρευνά μας για τη δημιουργία φυτών που δεσμεύουν τον άνθρακα και καταπολεμούν την κλιματική αλλαγή», λέει ο Busch.
Επειδή το λογισμικό και η εργαλειοθήκη sleap-roots είναι δωρεάν στη χρήση, οι ερευνητές είναι ενθουσιασμένοι και ταυτόχρονα περίεργοι να δουν το πώς θα χρησιμοποιηθούν τα sleap-roots σε όλο τον κόσμο. Ήδη, έχουν ξεκινήσει συζητήσεις με επιστήμονες της NASA που ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν το εργαλείο όχι μόνο για να βοηθήσουν στον σχεδιασμό φυτών που δεσμεύουν άνθρακα στη Γη, αλλά και στη μελέτη φυτών στο διάστημα.
