私たちは、植物を伐採するだけでなく、有害な排出物によっても植物相に害を与えています。気候変動と地球温暖化を抑制するために、気候変動に関する政府間パネル（IPCC）は、炭素除去が不可欠であることを明確にしています。これに基づき、ソーク研究所の科学者たちは、植物の根系を強化しながら、AIを用いて炭素を捕捉する植物を開発しています。この最適化は、貯蔵される炭素の量を増やし、貯蔵期間を長くすることを目的としています。
ソーク研究所では、SLEAPと呼ばれるスマートソフトウェアを用いて植物の特性を分析するという、他に類を見ない共同研究が行われています。これは、気候変動対策となる植物の成長を促進するのに役立ちます。SLEAPは、人工知能（AI）を用いて根の成長の様々な特徴をモニタリングする、使いやすいコンピュータプログラムです。当初は、ソーク研究所の研究員であるタルモ・ペレイラ氏が、実験室における動物の動きを追跡するために開発しました。しかし現在、ペレイラ氏とソーク研究所の植物科学者であるヴォルフガング・ブッシュ教授は、SLEAPを植物に適用する研究に取り組んでいます。
ソーク研究所の植物科学部門でヘス記念講座教授を務めるブッシュ氏は、「私たちは既に、これまでで最も包括的な植物根系表現型のカタログを作成することができました。これは、気候変動対策となる炭素吸収植物の開発に向けた私たちの研究を大きく加速させるものです。タルモ氏のプロフェッショナルなソフトウェア設計のおかげで、SLEAPは非常に簡単に適用・使用でき、今後私の研究室にとって欠かせないツールとなるでしょう」と述べています。
SLEAP はどのように改善されるのでしょうか?
SLEAPの特徴は、コンピュータビジョン（コンピュータが画像を理解する能力）とディープラーニング（コンピュータに学習能力と人間の脳のような働きを身につけさせるAI手法）の両方を革新的に活用している点です。この組み合わせにより、研究者はピクセルを一つ一つ手作業で確認することなく画像を分析できます。つまり、時間のかかるこの作業を省き、画像から直接植物の特定の特徴を特定できるのです。
ブッシュ研究室のバイオインフォマティクスアナリストであり、本研究の筆頭著者であるエリザベス・ベリガン氏は、 「私たちは、複数の植物種で検証された堅牢なプロトコルを作成しました。これにより、分析時間と人的ミスを削減すると同時に、アクセシビリティと使いやすさを重視しました。しかも、SLEAPソフトウェア自体に変更を加える必要はありませんでした」と述べています。
研究者たちはSLEAPの中核技術を変更したわけではなく、sleap-rootsというダウンロード可能なツールキットを開発した（オープンソースソフトウェアとしてこちらから入手可能）。sleap-rootsを使用することで、SLEAPは根系の深さ、質量、成長角度といった生物学的特性の研究に利用できる。
これに加えて、多くの作物品種の遺伝子型データを理解するための広範なゲノム配列解析の取り組みにより、科学者は表現型データ（例えば、植物の深い根系）を利用して、そのような形質を生み出す原因となる遺伝子を解明することができるようになる。
科学者たちが風力や雨のエネルギーを収穫するために、文字通りの発電所を建設していることをご存知ですか？
ハイライト
- SLEAP を使用するこの新しい方法により、植物がどれだけ深く広く成長するか、根系がどれだけ大きくなるか、その他の物理的特性を研究することが可能になります。
- 植物へのこの技術の使用により、研究者はこれまでで最大の植物根系表現型のコレクションを作成することができました。
- さらに、これらの物理的な根の特性に注目することは、科学者がこれらの特性に関連する遺伝子を特定するのに役立ちます。
- 複数の形質が同じ遺伝子によって制御されているのか、それとも独立しているのかを分析できます。
- これにより、ソークチームはどの遺伝子が植物の設計に最も役立つかを把握できるようになります。
研究者たちは、ePlant TreeTagsを用いた、植物の手入れにおける革新的で新しい方法を発見した。
SLEAPの植物育種への影響
ソーク研究チームは、さまざまな植物でスリープルーツパッケージをテストしました。これには、大豆、米、キャノーラなどの重要な作物や、モデル植物であるシロイヌナズナ（アブラナ科の花を咲かせる雑草）が含まれていました。
- これらの植物すべてにおいて、 新しい SLEAP ベースの方法は、既存の方法と比較して優れたパフォーマンスを発揮しました。
- データの分類速度は 1.5 倍、AI モデルのトレーニング速度は 10 倍、さらに新しいデータに基づく植物構造の予測速度も 10 倍になりました。
- 精度を維持し、さらには向上させながら、すべての機能を実行しました。
物理的特性（表現型）と遺伝的構成（遺伝子型）を結びつけるこのステップは、より多くの炭素をより長期間貯蔵できる植物を開発するというソーク研究所の目標にとって非常に重要です。これらの植物には、より強く、より深い根系が必要です。この効率的かつ精密なソフトウェアを使用することで、Harnessing Plants Initiativeは、望ましい表現型を特定の遺伝子に革新的な容易さとスピードで結びつけることができるようになります。
ソーク研究所の科学者がAIで炭素回収プラントを開発中：次のステップ
SLEAPとsleap-rootsの開発において、ペレイラ氏はアクセシビリティと再現性を最優先事項とした。ソフトウェアとsleap-rootsツールキットは無料で利用できるため、研究者たちはsleap-rootsが世界中でどのように活用されるのかを期待している。彼らはすでにNASAの科学者たちと、このツールを地球上の炭素隔離植物の育成だけでなく、宇宙空間の植物分析にも活用することについて協議を開始している。
ソーク研究所の共同チームもすぐに解散するわけではありません。SLEAP を使用して 3D データを分析するという、新しい革新的なタスクに取り組む準備ができています。今後何年にもわたって、SLEAP と sleap-roots の改善、拡張、共有を継続する予定です。しかし、現在でも、ソーク研究所の Harnessing Plants Initiative への応用により、植物の設計がすでに加速しています。これは、研究所の気候変動対策に貢献しています。
