Искусственный интеллект помогает создавать растения для борьбы с изменением климата

Учёные из Института Солка используют естественную способность растений поглощать углекислый газ, оптимизируя их корневые системы для более долгосрочного хранения углерода. Для проектирования таких растений они применяют инструмент искусственного интеллекта (ИИ) под названием SLEAP.

От отслеживания животных к анализу корней

Изначально SLEAP, созданный сотрудником института Талмо Перейрой, использовался для отслеживания движения животных в лаборатории. В новом исследовании, опубликованном в Plant Phenomics, Перейра и профессор Вольфганг Буш адаптировали SLEAP для анализа фенотипов корневых систем растений — их глубины, ширины, массы и других физических характеристик.

Преимущества нового метода

До использования SLEAP анализ изображений растений требовал ручной разметки, что было трудоёмко. SLEAP сочетает компьютерное зрение и глубокое обучение, что позволяет переходить от исходного изображения сразу к характеристикам растения, минуя промежуточные трудоёмкие этапы.

Исследователи разработали пакет sleap-roots (доступный как open-source ПО), не меняя базовую технологию SLEAP. Он анализирует биологические признаки корней: глубину, массу, угол роста.

Результаты тестирования

Метод на основе SLEAP был протестирован на различных растениях, включая сою, рис, рапс и модельное растение Arabidopsis thaliana. Он показал превосходство над существующими практиками:

• Разметка данных — в 1.5 раза быстрее.
• Обучение модели ИИ — в 10 раз быстрее.
• Предсказание структуры на новых данных — в 10 раз быстрее. Всё это — с той же или более высокой точностью.

Связь фенотипа и генотипа

Применение SLEAP позволило создать самый обширный на сегодня каталог фенотипов корневых систем. Сопоставление этих фенотипических данных (например, особенно глубокой корневой системы) с данными полногеномного секвенирования помогает определить гены, ответственные за нужные признаки. Этот шаг критически важен для миссии института по созданию растений с более глубокими и мощными корнями, способными удерживать больше углерода на более длительный срок.

Будущее проекта

ПО SLEAP и пакет sleap-roots бесплатны для использования. Учёные уже обсуждают их применение с NASA — как для изучения растений, захватывающих углерод на Земле, так и для исследований растений в космосе. Команда Института Солка продолжает работу, включая анализ 3D-данных с помощью SLEAP, чтобы ускорить создание растений для борьбы с изменением климата.