We schaden de flora niet alleen door ze te kappen, maar ook door giftige emissies. Om klimaatverandering tegen te gaan en de wereldwijde temperatuur onder controle te houden, heeft het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) duidelijk gesteld dat koolstofafvang een absolute noodzaak is. In lijn hiermee ontwikkelen wetenschappers van het Salk Institute met behulp van AI koolstofvangende planten, waarbij ze tegelijkertijd de wortelsystemen van de planten verbeteren. Deze optimalisatie is bedoeld om de hoeveelheid opgeslagen koolstof te vergroten en de opslagduur te verlengen.
Een unieke samenwerking bij het Salk Institute maakt gebruik van slimme software genaamd SLEAP om plantkenmerken te bestuderen. Dit helpt bij de ontwikkeling van planten die klimaatverandering tegengaan. SLEAP is een gebruiksvriendelijk computerprogramma dat kunstmatige intelligentie (AI) gebruikt om verschillende kenmerken van wortelgroei te monitoren . Het werd aanvankelijk ontwikkeld door Salk Fellow Talmo Pereira om de bewegingen van dieren in laboratoria te volgen. Nu werken Pereira en plantwetenschapper professor Wolfgang Busch van het Salk Institute aan de toepassing van SLEAP voor planten.
Busch, die de Hess-leerstoel in plantwetenschappen aan het Salk Institute bekleedt, zei: "We hebben al de meest uitgebreide catalogus van fenotypen van plantenwortelsystemen tot nu toe kunnen samenstellen, wat ons onderzoek naar koolstofbindende planten die klimaatverandering bestrijden enorm versnelt. SLEAP is dankzij het professionele softwareontwerp van Talmo zo gemakkelijk te gebruiken en toe te passen, en het zal een onmisbaar hulpmiddel in mijn laboratorium worden."
Waarom is SLEAP beter?
Wat SLEAP uniek maakt, is het innovatieve gebruik van zowel computervisie (het vermogen van computers om beelden te begrijpen) als deep learning (een type AI-aanpak dat computers traint om te leren en te werken zoals het menselijk brein). Deze combinatie stelt onderzoekers in staat om beelden te analyseren zonder elke pixel handmatig te hoeven bekijken. In plaats daarvan kunnen ze deze tijdrovende stap overslaan en direct van het beeld overgaan tot het identificeren van specifieke plantkenmerken.
Elizabeth Berrigan , bio-informatica-analist in het laboratorium van Busch en eerste auteur van de studie, zei: "We hebben een robuust protocol ontwikkeld dat gevalideerd is voor meerdere plantensoorten. Dit protocol verkort de analysetijd en vermindert menselijke fouten, terwijl de nadruk ligt op toegankelijkheid en gebruiksgemak. Bovendien waren er geen wijzigingen nodig aan de bestaande SLEAP-software."
De onderzoekers hebben de kerntechnologie van SLEAP niet aangepast , maar een downloadbare toolkit ontwikkeld genaamd sleap-roots (beschikbaar als open-source software hier). Met sleap-roots kan SLEAP worden gebruikt om biologische kenmerken van wortelsystemen te bestuderen, zoals diepte, massa en groeihoek.
Dit, in combinatie met de uitgebreide inspanningen op het gebied van genoomsequencing om genotypegegevens van veel gewasvariëteiten te begrijpen, stelt wetenschappers in staat om fenotypische gegevens (zoals het diepe wortelstelsel van een plant) te gebruiken om de genen te ontdekken die verantwoordelijk zijn voor het ontstaan van dergelijke eigenschappen.
Wist je dat wetenschappers daadwerkelijk energiecentrales bouwen om wind- en regenenergie op te vangen?
Hoogtepunten
- Met deze nieuwe manier van SLEAP is het mogelijk om te bestuderen hoe diep en breed planten groeien, hoe groot hun wortelstelsel wordt en andere fysieke eigenschappen.
- Door het gebruik ervan bij planten konden onderzoekers de grootste verzameling fenotypes van plantenwortelsystemen ooit creëren.
- Door deze fysieke wortelkenmerken in de gaten te houden, kunnen wetenschappers bovendien de genen identificeren die met deze eigenschappen geassocieerd worden.
- Ze kunnen analyseren of meerdere eigenschappen door dezelfde genen worden aangestuurd of dat ze onafhankelijk van elkaar zijn.
- Hiermee kan het Salk-team bepalen welke genen het meest nuttig zijn voor hun plantenontwerpen.
Onderzoekers hebben met ePlant TreeTags een nieuwe en innovatieve manier van plantenverzorging ontdekt .
Invloed van SLEAP op plantenveredeling
Het Salk-team testte het sleap-roots-pakket op verschillende planten. Dit omvatte belangrijke gewassen zoals sojabonen, rijst en koolzaad, evenals de modelplant Arabidopsis thaliana, een bloeiende onkruidsoort uit de mosterdfamilie.
- Bij al deze planten ontdekten ze dat de De nieuwe SLEAP-gebaseerde methode presteerde beter vergeleken met de bestaande methoden.
- Het classificeerde gegevens 1.5 keer sneller, trainde het AI-model 10 keer sneller en voorspelde zelfs de plantstructuur op basis van nieuwe gegevens 10 keer sneller.
- Het voerde alle functies uit terwijl de nauwkeurigheid behouden bleef en/of zelfs werd verbeterd.
Deze stap, waarbij fysieke eigenschappen (fenotype) en genetische samenstelling (genotype) met elkaar worden verbonden, is essentieel voor Salks doel om planten te ontwikkelen die meer koolstof langer kunnen opslaan. Deze planten hebben sterkere en diepere wortelstelsels nodig. Door gebruik te maken van deze efficiënte en precieze software kan het Harnessing Plants Initiative gewenste fenotypes op revolutionaire wijze en met ongekende snelheid koppelen aan specifieke genen.
Wetenschappers bij Salk creëren koolstofafvanginstallaties met AI: volgende stappen
Bij de ontwikkeling van zowel SLEAP als sleap-roots gaf Pereira prioriteit aan toegankelijkheid en reproduceerbaarheid. Omdat de software en de sleap-roots toolkit gratis beschikbaar zijn, zijn onderzoekers benieuwd hoe sleap-roots wereldwijd gebruikt zal worden. Ze zijn al in gesprek met NASA-wetenschappers over het gebruik van de tool, niet alleen voor het begeleiden van koolstofvastleggende planten op aarde, maar ook voor het analyseren van planten in de ruimte.
Het samenwerkingsteam bij Salk gaat ook niet snel uit elkaar. Het is klaar om een nieuwe en innovatieve taak op zich te nemen: SLEAP gebruiken om 3D-data te analyseren. Ze zijn van plan om SLEAP en sleeproots de komende jaren te blijven verbeteren, verbreden en delen. Maar zelfs nu al versnelt hun toepassing in Salk's Harnessing Plants Initiative de ontwerpen van planten. Het draagt bij aan de inspanningen van het instituut tegen klimaatverandering.
Bron : AI helpt wetenschappers bij het ontwikkelen van planten om klimaatverandering tegen te gaan
