Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) заявила, что удаление углерода из атмосферы Земли имеет решающее значение для борьбы с изменением климата и сдерживания глобального повышения температуры. В соответствии с этим, учёные из Института биологических исследований Солка – научно-исследовательский института, расположенного в Сан-Диего, Калифорния, США, используют естественную способность растений поглощать углекислый газ путём укрепления их корневой системы. Такая оптимизация направлена на увеличение количества накапливаемого углерода и продление срока его хранения.

Для создания растений, сберегающих климат, учёные используют новый сложный исследовательский инструмент под названием SLEAP – программное обеспечение с искусственным интеллектом (ИИ), которое отслеживает множество особенностей роста корней. Созданный изначально для отслеживания передвижения животных в лаборатории, SLEAP применили к контролю за развитием корневой системы растений.

В исследовании, опубликованном в журнале Plant Phenomics, учёные представили новый протокол использования SLEAP для анализа фенотипов корней растений — насколько глубоко и широко они растут, насколько массивной становится их корневая система и другие физические качества, которые до появления SLEAP было сложно измерить. Применение SLEAP к растениям уже позволило исследователям составить самый обширный на сегодняшний день каталог фенотипов корневой системы растений.

Более того, отслеживание физических характеристик корневой системы помогает учёным находить гены, связанные с этими характеристиками, а также определять, определяются ли различные характеристики корней одними и теми же генами или независимо друг от друга. Это позволяет команде исследователей определить, какие гены наиболее полезны для растений.

До использования SLEAP отслеживание физических характеристик как растений, так и животных требовало больших затрат труда, что замедляло научный процесс. Если бы исследователи захотели проанализировать изображение растения, им нужно было бы вручную отметить те части изображения, которые относятся к растению, а которые не являются таковыми, – кадр за кадром, пиксель за пикселем. Только после этого можно было применить более старые модели искусственного интеллекта для обработки изображения и сбора данных о структуре растения. Что отличает SLEAP от других, так это уникальное использование как компьютерного зрения (способности компьютеров понимать изображения), так и глубокого обучения (подход искусственного интеллекта к обучению компьютера тому, как учиться и работать подобно человеческому мозгу). Такая комбинация позволяет исследователям обрабатывать изображения, не перемещаясь попиксельно, вместо этого пропуская этот промежуточный трудоёмкий этап и сразу переходя от ввода изображения к определенным характеристикам растений. SLEAP может обрабатывать биологические характеристики корневой системы, такие как глубина, масса и угол роста.

Команда учёных протестировала SLEAP на различных растениях, включая такие культурные растения как соя, рис и рапс. В ходе испытаний различных растений они обнаружили, что новый метод превосходит существующие благодаря тому, что аннотирование выполняется в 1,5 раза быстрее, обучение модели искусственного интеллекта – в 10 раз быстрее, а прогнозирование структуры растений на основе новых данных – в 10 раз быстрее, и всё это с той же или большей точностью, чем раньше.

Наряду с масштабными усилиями по секвенированию генома для выяснения генотипических данных большого числа сортов сельскохозяйственных культур, фенотипические данные, такие как корневая система растения, растущая особенно глубоко в почве, могут быть экстраполированы для понимания генов, ответственных за создание этой особенно глубокой корневой системы.

Этот шаг – объединение фенотипа и генотипа – имеет решающее значение в проекте учёных по созданию растений, которые удерживают больше углерода и имеют более длительный жизненный циклон, поскольку таким растениям потребуется более глубокая и прочная корневая система.

Доступность и воспроизводимость были приоритетными задачами исследователей при создании SLEAP. Поскольку программное обеспечение и набор инструментов доступны бесплатно, исследователи с нетерпением ждут, как их технология будет использоваться во всем мире. Они уже начали переговоры с учёными НАСА, надеясь использовать этот инструмент не только для управления растениями, поглощающими углерод на Земле, но и для изучения растений в космосе.