Демонстрация того, как новые технологии могут использоваться в селекции сельскохозяйственных культур 21-го века, изложена разработчиками программы, в которой лазерное сканирование и 3D-печать сочетаются с созданием подробной 3D-модели растений и поля с сахарной свеклой.
Делая следующий шаг за пределы наличия генетической информации для оптимизации процессов селекции, 3D-модели растений отражают основные характеристики надземных частей сахарной свеклы и могут быть использованы для улучшения урожая с помощью искусственного интеллекта. Эти модели воспроизводимы и пригодны для использования в полевых условиях. Разработчики подчеркивают, что вся исследовательская информация, данные, методология, а также файлы 3D-печати находятся в свободном доступе. Таким образом, теперь каждый может напечатать свое собственное эталонное 3D-поле с сахарной свеклой при минимальных усилиях.
Современная селекция растений – это процесс, ориентированный на данные, в котором используются алгоритмы машинного обучения и сложные технологии визуализации для выбора желаемых признаков.
«Фенотипирование растений – наука о сборе точной информации и измерениях растений – за последние пару лет претерпела значительные улучшения. В прошлом фенотипирование основывалось на измерениях, которые утомительно проводили люди. Сегодня конвейеры фенотипирования становятся все более автоматизированными с использованием самых современных сенсорных технологий, которым часто помогает искусственный интеллект. Проведенные измерения могут включать размер, качество плодов, форму и размер листьев, а также другие параметры роста. Помимо повышения эффективности передачи измерительных работ автоматизированным конвейерам, компьютерные датчики часто могут собирать сложную информацию о растениях и поле, которую людям было бы очень сложно собрать в больших масштабах. Одним из важнейших аспектов в этом новом, управляемом датчиками мире селекции сельскохозяйственных культур является доступность точного справочного материала», – поясняют авторы работы Йонас Бёмер и его коллеги из Института исследований сахарной свеклы (Геттингенского университета) и Боннского университета.
Датчикам необходимо предоставить данные о «стандартном растении», которые охватывают все соответствующие характеристики, включая также сложные трехмерные характеристики, например, угол, под которым ориентированы листья. Поэтому иметь реальное «искусственное растение» в качестве эталона реального размера предпочтительнее, чем просто иметь данные в компьютере или плоское двухмерное представление. Например, реальную модель можно также включить в качестве эталона и внутреннего контроля в теплицу или на испытательное поле среди реальных растений.
Новая 3D-модель растений сахарной свеклы была создана с учетом этих приложений и имеет дополнительное преимущество: файлы для печати доступны для бесплатной загрузки и повторного использования. Это позволяет другим ученым (и любому энтузиасту-селекционеру культуры) воссоздать точную копию эталонной сахарной свеклы, делая исследования, проводимые разными лабораториями в разных частях мира, более сопоставимыми. Доступность 3D-печати также означает, что этот подход можно адаптировать в условиях ограниченных ресурсов, например, в развивающихся странах.
Чтобы собрать точные данные для своей реалистичной модели, Йонас Бёмер и его коллеги использовали технологию LIDAR, проще говоря, настоящие растения сахарной свеклы были отсканированы лазером для создания 3D-данных с 12 различных углов обзора.
После обработки эти данные загрузили в коммерческий 3D-принтер для создания реальной модели сахарной свеклы в реальном размере. Затем авторы протестировали модель на предмет ее предполагаемого использования в качестве ориентира в лаборатории и в полевых условиях.
«В области трехмерного фенотипирования растений сопоставление используемых сенсорных систем, компьютерных алгоритмов и зафиксированных морфологических параметров представляет собой сложную, но фундаментально важную задачу. Применение технологий аддитивного производства для создания воспроизводимых эталонных моделей открывает новую возможность для разработки стандартизированных методологий для объективного и точного сравнения, тем самым принося пользу как научным исследованиям, так и практической селекции растений», – объясняет Йонас Бёмер.
Разумеется, этот подход не ограничивается сахарной свеклой, исследователи намерены применить его и к другим культурам.
«Ценность печатной 3D-модели заключается в том, что вы можете распечатать несколько копий, по одной на каждое поле сельскохозяйственных культур в качестве недорогой стратегии фенотипирования, где основные затраты составляют сканер LIDAR. Это пригодится селекционерам, в том числе так называемых бесхозных культур, например, в африканских странах», – заключил специалист по данным Крис Армит, участник проекта.
Источник: agroxxi.ru
