Wir schädigen die Flora nicht nur durch Abholzung, sondern auch durch giftige Emissionen. Um den Klimawandel zu bekämpfen und die globale Erwärmung einzudämmen, hat der Weltklimarat (IPCC) deutlich gemacht, dass die Kohlenstoffbindung unerlässlich ist. Wissenschaftler des Salk Institute entwickeln daher mithilfe von KI Pflanzen zur Kohlenstoffbindung und optimieren gleichzeitig deren Wurzelsysteme. Diese Optimierung soll die Menge des gespeicherten Kohlenstoffs erhöhen und dessen Speicherdauer verlängern.
Eine einzigartige Kooperation am Salk Institute nutzt die intelligente Software SLEAP, um Pflanzenmerkmale zu analysieren. Dies trägt dazu bei, das Wachstum von Pflanzen, die dem Klimawandel entgegenwirken, zu beschleunigen. SLEAP ist ein benutzerfreundliches Computerprogramm, das künstliche Intelligenz (KI) einsetzt, um verschiedene Aspekte des Wurzelwachstums zu überwachen . Ursprünglich wurde es von Salk-Stipendiat Talmo Pereira entwickelt, um die Bewegungen von Tieren im Labor zu verfolgen. Nun arbeiten Pereira und der Pflanzenwissenschaftler Professor Wolfgang Busch vom Salk Institute daran, SLEAP für Pflanzen anzuwenden.
Busch, Inhaber des Hess-Lehrstuhls für Pflanzenwissenschaften am Salk Institute, sagte: „Wir konnten bereits den bisher umfangreichsten Katalog von Phänotypen pflanzlicher Wurzelsysteme erstellen, was unsere Forschung zur Entwicklung kohlenstoffbindender Pflanzen, die dem Klimawandel entgegenwirken, erheblich beschleunigt. SLEAP ist dank Talmos professioneller Softwareentwicklung sehr einfach anzuwenden und zu nutzen und wird in meinem Labor künftig ein unverzichtbares Werkzeug sein.“
Warum ist SLEAP besser?
Das Besondere an SLEAP ist die innovative Kombination aus Computer Vision (der Fähigkeit von Computern, Bilder zu verstehen) und Deep Learning (einem KI-Ansatz, der Computer trainiert, wie das menschliche Gehirn zu lernen und zu arbeiten). Diese Kombination ermöglicht es Forschern, Bilder zu analysieren, ohne jedes Pixel manuell untersuchen zu müssen. Sie können diesen zeitaufwändigen Schritt überspringen und direkt von der Bildanalyse zur Identifizierung spezifischer Pflanzenmerkmale übergehen.
Elizabeth Berrigan , Bioinformatik-Analystin in Buschs Labor und Erstautorin der Studie, sagte: „Wir haben ein robustes Protokoll entwickelt, das in verschiedenen Pflanzenarten validiert wurde und die Analysezeit sowie menschliche Fehler reduziert, während gleichzeitig die Zugänglichkeit und Benutzerfreundlichkeit im Vordergrund stehen – und es waren keine Änderungen an der eigentlichen SLEAP-Software erforderlich.“
Die Forscher veränderten nicht die Kerntechnologie von SLEAP , sondern entwickelten ein herunterladbares Toolkit namens sleap-roots (hier als Open-Source-Software verfügbar). Mit sleap-roots kann SLEAP zur Untersuchung biologischer Merkmale von Wurzelsystemen wie Wurzeltiefe, Wurzelmasse und Wachstumswinkel eingesetzt werden.
Dies, zusammen mit den umfangreichen Genomsequenzierungsbemühungen zum Verständnis der Genotypdaten vieler Kulturpflanzensorten, ermöglicht es Wissenschaftlern, phänotypische Daten (wie zum Beispiel das tiefe Wurzelsystem einer Pflanze) zu nutzen, um die Gene zu entdecken, die für die Entstehung solcher Merkmale verantwortlich sind.
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Highlights
- Mit dieser neuen Art der Verwendung von SLEAP ist es möglich, zu untersuchen, wie tief und breit Pflanzen wachsen, wie groß ihr Wurzelsystem wird und andere physikalische Merkmale.
- Seine Anwendung bei Pflanzen hat Forschern geholfen, die größte Sammlung von Phänotypen des Pflanzenwurzelsystems aller Zeiten zu erstellen.
- Darüber hinaus hilft die Beobachtung dieser physischen Wurzelmerkmale den Wissenschaftlern dabei, die mit diesen Merkmalen verbundenen Gene zu identifizieren.
- Sie können analysieren, ob mehrere Merkmale von denselben Genen gesteuert werden oder ob sie unabhängig voneinander sind.
- Dies hilft dem Salk-Team herauszufinden, welche Gene für ihre Pflanzendesigns am nützlichsten sind.
Forscher haben mit ePlant TreeTags eine neue und innovative Methode der Pflanzenpflege entdeckt .
Einfluss von SLEAP auf die Pflanzenzüchtung
Das Salk-Team testete das Sleap-Roots-Paket an verschiedenen Pflanzen. Dazu gehörten wichtige Nutzpflanzen wie Sojabohnen, Reis und Raps sowie die Modellpflanze Arabidopsis thaliana – ein blühendes Unkraut aus der Familie der Kreuzblütler.
- Bei all diesen Pflanzen stellten sie fest, dass die Die neue auf SLEAP basierende Methode schnitt im Vergleich zu den bestehenden Methoden besser ab.
- Es klassifizierte Daten 1.5-mal schneller, trainierte das KI-Modell 10-mal schneller und sagte sogar die Pflanzenstruktur auf Grundlage neuer Daten 10-mal schneller voraus.
- Es führte alle Funktionen aus und behielt dabei die Genauigkeit bei und/oder verbesserte sie sogar.
Dieser Schritt, physische Merkmale (Phänotyp) und genetische Ausstattung (Genotyp) zu verknüpfen, ist für Salks Ziel, Pflanzen zu entwickeln, die mehr Kohlenstoff über längere Zeit speichern können, unerlässlich. Diese Pflanzen benötigen stärkere und tiefere Wurzelsysteme. Mithilfe dieser effizienten und präzisen Software wird die Initiative „Harnessing Plants“ in der Lage sein, gewünschte Phänotypen mit revolutionärer Leichtigkeit und Geschwindigkeit mit spezifischen Genen zu verknüpfen.
Wissenschaftler bei Salk entwickeln Kohlenstoffabscheidungsanlagen mit KI: Nächste Schritte
Bei der Entwicklung von SLEAP und sleap-roots legte Pereira besonderen Wert auf Zugänglichkeit und Reproduzierbarkeit. Da die Software und das sleap-roots-Toolkit frei verfügbar sind, sind die Forscher gespannt, wie sleap-roots weltweit eingesetzt wird. Sie haben bereits Gespräche mit NASA-Wissenschaftlern aufgenommen, um das Tool nicht nur zur Steuerung von kohlenstoffbindenden Pflanzen auf der Erde, sondern auch zur Analyse von Pflanzen im Weltraum zu nutzen.
Auch das Team von Salk wird sich nicht so schnell auflösen. Es ist bereit für eine neue und innovative Aufgabe: die Nutzung von SLEAP zur Analyse von 3D-Daten. SLEAP und Sleap-Roots sollen in den kommenden Jahren kontinuierlich verbessert, erweitert und geteilt werden. Schon jetzt beschleunigt die Anwendung in Salks Harnessing Plants Initiative die Pflanzenplanung und trägt zum Klimaschutz des Instituts bei.
Quelle : KI hilft Wissenschaftlern bei der Entwicklung von Pflanzen zur Bekämpfung des Klimawandels
