Чтобы удовлетворить эту потребность, исследователи из Технологического института Джорджии и Университета штата Пенсильвания разработали метод автоматизированной визуализации для измерения и анализа корневой системы зрелых растений. Этот метод, который считается первым в своем роде, использует передовые компьютерные технологии для анализа фотографий корневых систем в полевых условиях.
Визуализация и программное обеспечение предназначены для предоставления ученым статистической информации, необходимой им для оценки усилий по улучшению сельскохозяйственных культур.
«Мы создали систему визуализации для оценки корневой системы растений в полевых условиях», — сказал Александр Бакш, научный сотрудник Технологической школы биологии Джорджии и Школы интерактивных вычислений. "Мы можем измерить целые корневые системы тысяч растений, чтобы дать генетикам информацию, необходимую им для поиска генов с лучшими характеристиками."
Исследование поддерживается Программой исследования генома растений (PGRP) и фундаментальными исследованиями для развития сельского хозяйства (BREAD) Национального научного фонда, Фондом Говарда Баффета, Фондом Берроуза Велкома и Центром анализа данных Технологического института Джорджии. Об исследовании было сообщено в качестве обложки в октябрьском номере журнала Plant Physiology.
Помимо улучшения продовольственных культур, этот метод также может помочь улучшить растения, выращиваемые для производства энергии, материалов и других целей.
Корневые системы сложны и сильно различаются даже у растений одного вида. Анализ критических свойств корней у выращиваемых в поле растений зависел от ручных измерений, которые варьируются в зависимости от наблюдателя.
Напротив, автоматизированные измерения могут предоставить расширенную статистическую информацию для улучшения завода.
До настоящего времени визуализация корневой системы в основном выполнялась в лаборатории с использованием саженцев, выращенных в небольших горшках и контейнерах.
Такие исследования предоставляют информацию о ранних стадиях развития и не дают прямой количественной оценки воздействия реальных условий выращивания или вариаций полей в воде, почве или уровнях питательных веществ.
Техника, разработанная исследователями Технологического института Джорджии и Пенсильвании, использует цифровую фотографию для получения подробных изображений корней зрелых растений в полевых условиях. Отдельные исследуемые растения выкапывают и их корневую систему промывают от почвы.
Затем корни фотографируются на черном фоне с помощью стандартной цифровой камеры, направленной вниз со штатива. Белая тканевая палатка, окружающая камеру, обеспечивает равномерное освещение.
Полученные изображения затем загружаются на сервер, на котором запущено программное обеспечение, которое анализирует корневые системы по более чем 30 различным параметрам, включая диаметр стержневых корней, плотность корней, углы связующих корней и подробные измерения боковых корней.
Ученые, работающие в этой области, могут загружать свои изображения в конце дня и иметь таблицы результатов, готовые для изучения на следующий день.
«В лаборатории вы просто наблюдаете часть процесса роста корней», — сказал Бакш, который работает в группе доцента Джошуа Вайца в Школе биологии и Школе физики Технологического института Джорджии. «Мы вышли в поле, чтобы увидеть растения в реальных условиях выращивания."
Развитие техники цифровой фотографии потребовало итеративных доработок для получения согласованных изображений, которые можно было бы анализировать с помощью компьютерных программ.
Чтобы обеспечить доступность системы во всем мире, она должна быть достаточно простой, чтобы полевые исследователи могли ее постоянно использовать, ее можно было транспортировать в рюкзаках в места, где нет электричества, и она должна была быть построена на недорогих компонентах.
В сотрудничестве с исследовательской группой под руководством Джонатана Линча, профессора наук о растениях Университета Пенсильвании, система была протестирована в Южной Африке на вигновом горохе и кукурузе. Благодаря его способности быстро собирать данные в полевых условиях, можно было оценить полную панель разнообразия вигнового гороха.
Сотрудник штата Пенсильвания Джеймс Берридж составил новый набор справочных данных по вигновому гороху, который состоит из примерно 1500 извлеченных корневых систем. Набор данных был измерен вручную для проверки и сравнения с новыми вычислительными подходами. В будущем система может позволить ученым изучать корни сельскохозяйственных культур в течение всего вегетационного периода, потенциально предоставляя новые данные о жизненном цикле.
Исследование показывает, как методы количественного измерения из одной дисциплины могут быть применены к другим областям науки.
«Александр взял на вооружение строгие вычислительные принципы и сотрудничал с ведущими биологами по изучению корней растений из группы Линча, чтобы изучить сложную корневую структуру в полевых условиях», — сказал Вайц. "При этом он показал, как автоматизированные методы могут выявить новые подземные черты, которые можно было бы использовать для разведения и улучшения."
Данные, полученные с помощью нового метода, будут использоваться в последующих анализах, чтобы помочь понять, как изменения в генетике влияют на рост растений. Например, определенные гены могут помочь растениям выжить в бедных азотом почвах или в районах, где засуха является проблемой.
Общая цель — разработать улучшенные растения, которые могут накормить все большее количество людей и обеспечить устойчивые источники энергии и материалов.
«Мы должны прокормить постоянно растущее население, и мы должны заменить материалы, такие как топливо на нефтяной основе», — сказал Бакш. "Неотъемлемой частью этого изменения будет понимание растений и того, как они обеспечивают нас продуктами питания и альтернативными материалами. Этот метод визуализации предоставляет данные, необходимые для достижения этой цели."