Nous nuisons à la flore non seulement en la détruisant, mais aussi par des émissions toxiques. Pour lutter contre le changement climatique et contenir la hausse des températures mondiales, le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) a clairement indiqué que la capture du carbone est indispensable. Dans cette optique, des scientifiques de l'Institut Salk développent des plantes capables de capter le carbone grâce à l'intelligence artificielle, tout en optimisant leurs systèmes racinaires. Cette optimisation vise à accroître la quantité de carbone stockée et à prolonger sa durée de stockage.
Une collaboration unique au Salk Institute utilise un logiciel intelligent appelé SLEAP pour analyser les caractéristiques des plantes. Ceci contribue à accélérer le développement de plantes capables de lutter contre le changement climatique. SLEAP est un programme informatique convivial qui utilise l'intelligence artificielle (IA) pour surveiller différents aspects de la croissance racinaire . Initialement créé par Talmo Pereira, chercheur au Salk Institute, pour étudier les mouvements des animaux en laboratoire, SLEAP est désormais utilisé par Pereira et le professeur Wolfgang Busch, botaniste également au Salk Institute, pour l'appliquer aux plantes.
Busch, titulaire de la chaire Hess en sciences végétales à l'Institut Salk, a déclaré : « Nous avons déjà pu constituer le catalogue le plus complet de phénotypes de systèmes racinaires de plantes à ce jour, ce qui accélère considérablement nos recherches sur la création de plantes capturant le carbone et luttant contre le changement climatique. Grâce à la conception professionnelle du logiciel Talmo, SLEAP est extrêmement simple à mettre en œuvre et à utiliser, et deviendra un outil indispensable dans mon laboratoire. »
En quoi SLEAP est-il meilleur ?
Ce qui distingue SLEAP, c'est son utilisation novatrice de la vision par ordinateur (la capacité des ordinateurs à comprendre les images) et de l'apprentissage profond (une approche d'IA qui entraîne les ordinateurs à apprendre et à fonctionner comme le cerveau humain). Cette combinaison permet aux chercheurs d'analyser des images sans avoir à examiner chaque pixel manuellement. Ils peuvent ainsi s'affranchir de cette étape fastidieuse et passer directement de l'image à l'identification des caractéristiques spécifiques des plantes.
Elizabeth Berrigan , analyste en bioinformatique au sein du laboratoire de Busch et première auteure de l'étude, a déclaré : « Nous avons créé un protocole robuste, validé sur plusieurs types de plantes, qui réduit le temps d'analyse et les erreurs humaines, tout en mettant l'accent sur l'accessibilité et la facilité d'utilisation, et qui n'a nécessité aucune modification du logiciel SLEAP lui-même. »
Les chercheurs n'ont pas modifié la technologie de base de SLEAP ; ils ont en revanche développé un ensemble d'outils téléchargeable nommé sleap-roots (disponible en tant que logiciel libre ici). Grâce à sleap-roots, SLEAP peut être utilisé pour étudier les caractéristiques biologiques des systèmes racinaires telles que la profondeur, la masse et l'angle de croissance.
Ceci, combiné aux efforts considérables de séquençage du génome déployés pour comprendre les données génotypiques de nombreuses variétés cultivées, peut permettre aux scientifiques d'utiliser des données phénotypiques (telles que le système racinaire profond d'une plante) pour découvrir les gènes responsables de la création de ces caractéristiques.
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Points forts
- Grâce à cette nouvelle façon d'utiliser SLEAP, il est possible d'étudier la profondeur et la largeur de croissance des plantes, la taille de leurs systèmes racinaires, ainsi que d'autres caractéristiques physiques.
- Son utilisation sur les plantes a aidé les chercheurs à créer la plus grande collection de phénotypes de systèmes racinaires de plantes jamais réalisée.
- De plus, garder un œil sur ces caractéristiques physiques des racines aide les scientifiques à identifier les gènes associés à ces traits.
- Ils peuvent analyser si plusieurs traits sont contrôlés par les mêmes gènes ou s’ils sont indépendants.
- Cela aide l’équipe Salk à déterminer quels gènes sont les plus utiles pour la conception de leurs plantes.
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Influence du SLEAP sur la sélection végétale
L'équipe Salk a testé le système sleap-roots sur diverses plantes, notamment des cultures importantes comme le soja, le riz et le canola, ainsi que la plante modèle Arabidopsis thaliana, une mauvaise herbe à fleurs de la famille de la moutarde.
- Dans toutes ces plantes, ils ont constaté que la nouvelle méthode basée sur SLEAP a donné de meilleurs résultats que les méthodes existantes.
- Il a classé les données 1.5 fois plus rapidement, formé le modèle d'IA 10 fois plus rapidement et même prédit la structure de la plante sur de nouvelles données 10 fois plus rapidement.
- Il a exécuté toutes les fonctions tout en maintenant et/ou même en améliorant la précision.
Cette étape de liaison entre les caractéristiques physiques (phénotype) et le patrimoine génétique (génotype) est essentielle à l'objectif de Salk : développer des plantes capables de stocker davantage de carbone pendant de plus longues périodes. Ces plantes nécessitent des systèmes racinaires plus robustes et plus profonds. Grâce à ce logiciel performant et précis, l' initiative « Harnessing Plants » pourra associer les phénotypes souhaités à des gènes spécifiques avec une facilité et une rapidité révolutionnaires.
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Lors du développement de SLEAP et de sleap-roots, Pereira a privilégié l'accessibilité et la reproductibilité. Le logiciel et la boîte à outils sleap-roots étant disponibles gratuitement, les chercheurs sont impatients de voir comment sleap-roots sera utilisé à l'échelle mondiale. Ils ont déjà entamé des discussions avec des scientifiques de la NASA afin d'utiliser cet outil non seulement pour guider la croissance des plantes séquestrant le carbone sur Terre, mais aussi pour analyser les plantes dans l'espace.
L'équipe collaborative de Salk n'est pas près de se dissoudre. Elle est prête à entreprendre une tâche nouvelle et innovante : utiliser SLEAP pour analyser des données 3D. Elle prévoit de continuer à améliorer, élargir et partager SLEAP et Sleap-roots pendant les années à venir. Cependant, dès maintenant, leur application dans le cadre de l'initiative « Harmoning Plants » de Salk accélère la conception des plantes et contribue aux efforts de l'Institut contre le changement climatique.
Source : L'IA aide les scientifiques à concevoir des plantes pour lutter contre le changement climatique
