Massimizzare i raccolti con la fenotipizzazione ad alto rendimento utilizzando Artec Space Spider

La sfida: un ricercatore specializzato nella fenotipizzazione ad alto rendimento del loietto perenne aveva bisogno di un modo per misurare in modo non distruttivo 160 diverse piante 6-8 volte durante la durata del suo progetto per poter identificare le piante con i tratti più desiderabili per i coltivatori e gli agricoltori.

La soluzione: Artec Space Spider, Artec Studio, ImageJ, 3D Slicer

I risultati: Artec Space Spider è stato utilizzato per catturare con precisione ogni spiga di loietto in pochi minuti, ottenendo scansioni 3D accurate al millimetro di ciascuna pianta, offrendo ai ricercatori uno sguardo da vicino su tutta la durata del ciclo di crescita. Dopo la scansione, i modelli 3D delle spighe sono state "scheletrati" digitalmente, rivelando con estrema precisione l'essenza topografica della struttura di ciascuna spiga.

Una spiga di loietto perenne in fiore

Il nostro mondo è a corto di cibo, e la situazione sta peggiorando. La popolazione mondiale sta aumentando e si prevede che supererà i 9,7 miliardi entro il 2050. Numerosi esperti affermano che il livello di produzione alimentare dovrà aumentare del 50-98% entro tale data, solo per raggiungere un grado stabile di sicurezza alimentare. Ciò anche senza tener conto degli effetti imprevedibili del cambiamento climatico che vanno ad accelerare man mano che ci avviciniamo alla metà del secolo.

Gli agricoltori di tutto il mondo stanno affrontando la  scoraggiante sfida di massimizzare il raccolto su aree di terra in continua diminuzione. E tutto questo nonostante siccità, inondazioni, pestilenze e malattie delle piante, per ottenere in qualche modo raccolti sostenibili.

Con centinaia di milioni di persone in tutto il mondo che vanno a letto affamati ogni notte, siamo ancora molto lontani dal soddisfare le odierne esigenze di sicurezza alimentare. Una cosa su cui gli esperti di tutto il mondo concordano è questa: se mai vorremo sciogliere questo nodo gordiano, sarà necessaria un'innovazione senza precedenti nell'agricoltura.

Nuova tecnologia, radici antiche

Una di queste innovazioni all'avanguardia per aumentare i raccolti in condizioni difficili è il processo di fenotipizzazione ad alto rendimento (HTP). In poche parole, la fenotipizzazione è l'atto di osservare e analizzare piante specifiche, quindi effettuare scelte e previsioni basate sulle caratteristiche osservabili individuali di una pianta. Si tratta del lavoro degli agricoltori da più di 10.000 anni.

Antico sacerdote egiziano con grano, Tempio di Horus, II secolo a.C. circa

Mentre attraversavano i loro campi, selezionavano attentamente le piante con i tratti più desiderabili dalle quali avrebbero raccolto i semi per la futura semina. I semi venivano strappati dalle piante ancora in piedi, mentre i semi che si erano già staccati (frantumati) dalle piante e caduti a terra venivano semplicemente ignorati. Anche le piante con danni da insetti e altri segni di debolezza venivano lasciate dov’erano.

Ripetere questo processo migliaia di volte nel corso di molte generazioni ha portato, per la maggior parte, a raccolti resistenti e nutrienti che ancor oggi sfamano miliardi di persone in tutto il mondo. Attualmente, circa il 75% delle calorie umane proviene da solo 12 colture principali, quindi, concentrandoci prima su queste piante, abbiamo maggiori possibilità di soddisfare il crescente fabbisogno alimentare dell'umanità.

Combinando "l'alta produttività" con la fenotipizzazione le cose si fanno davvero interessanti. In sostanza ciò significa utilizzare vari strumenti e tecnologie non distruttivi per aumentare rapidamente l'accuratezza della raccolta e dell'analisi dei dati della pianta. Il metodo tradizionale di fenotipizzazione prevedeva di tagliare una pianta e riportarla al laboratorio per l'analisi. Una volta lì, le complesse caratteristiche fisiche della pianta venivano studiate e misurate scrupolosamente con un arsenale di righelli e calibri.

La ricerca urgente per risolvere un problema di tutto il settore

Il laborioso metodo di misurazione manuale è la procedura standard del settore da decenni, ma con l'avvento della tecnologia è nata la fenotipizzazione ad alto rendimento. Un ricercatore che ha riconosciuto l'enorme potenziale dell'HTP per un modo più veloce e molto più accurato di raccogliere dati dalle piante in modo non distruttivo è il maggiore Travis Tubbs della US Space Force. Durante la sua ricerca sul loietto perenne presso la Oregon State University, Tubbs ha capito che aveva bisogno di un modo per analizzare con precisione centinaia di piante in una frazione del tempo che il vecchio metodo comportava.

Diagramma del loietto perenne (Lolium perenne)

Il loietto perenne è una pianta erbacea tipica della stagione fredda molto resistente, popolare in molti paesi per l'alimentazione del bestiame. Solo nello stato dell'Oregon nel 2019 sono stati raccolti 180 milioni di chili di semi di loietto, con vendite del seme dal valore di oltre 186.000.000 $. Eppure oltre il 20% del loietto laggiù coltivato ogni anno viene irrimediabilmente perso a causa della frantumazione precoce del seme, quando i semi si staccano prematuramente dalla pianta.

La frantumazione è una caratteristica comune a molte piante e, quando avviene al momento giusto, i semi si disperdono e quindi si trasformano nella generazione successiva di piante.

Loietto perenne presso l'Hyslop Crop Science Field Research Laboratory della Oregon State University

Secondo Tubbs, "per capire con precisione quali discendenze di loietto sono meno inclini alla frantumazione prematura dei semi è necessario analizzare le spighette di centinaia di piante per misurare quanto saldamente trattengono i loro semi, nonché la loro altezza e lunghezza. Se si prova a farlo tramite il vecchio metodo di misurazione manuale, non solo si faranno morire moltissime delle piante ma non sarà nemmeno possibile misurare con precisione così tante spighette nella breve finestra di tempo disponibile durante ogni ciclo di crescita."

La scansione 3D entra in gioco

Dopo aver esplorato le capacità della fotogrammetria e metodi simili di acquisizione rapida dei dati, Tubbs era sul punto di progettare il proprio scanner 3D da utilizzare sul campo. È stato allora che è entrato nel sito Web di Artec 3D e ha scoperto Artec Space Spider, uno scanner 3D portatile professionale che è stato per anni uno dei preferiti dai ricercatori. Ha contattato rapidamente il suo rivenditore locale e ha organizzato una dimostrazione di persona.

L'Artec Space Spider

Richman Siansimbi del rivenditore certificato Gold Digital Scan 3D ha incontrato Tubbs e insieme hanno scansionato alcuni campioni di piante di loietto usando lo Space Spider. Quel pomeriggio Tubbs non solo ha visto che le scansioni submillimetriche dello Space Spider gli avrebbero fornito dettagli più che sufficienti per le sue analisi ma, con l'aiuto di Siansimbi, ha sperimentato ed escogitato un flusso di lavoro ripetibile senza sforzo per la scansione delle piante di loietto, che Tubbs usa ancora oggi.

Tubbs non deve far altro che andare nel campo e trovare la pianta con le spighette che vuole catturare. Quindi piega con attenzione la parte superiore della pianta fino a terra e la fa riposare su uno sfondo utilizzato per la scansione. In origine si trattava di un elastico di gomma viola, abbastanza largo e flessibile da poter essere appoggiato al suolo e rimanere lì durante il processo di scansione, che richiedeva meno di un minuto per ogni pianta.

Schermata di Artec Studio 15 che mostra una scansione di Space Spider di una spiga di loietto

Dopo ulteriori sperimentazioni e l'aiuto in linea sul sito di Artec, Tubbs ha scoperto che una tavola rigida in bianco e nero come sfondo facilitava l'elaborazione della scansione nel software Artec Studio. Per i ricercatori che cercano una soluzione ancora più conveniente Tubbs consiglia di utilizzare semplicemente un pezzo di giornale. Andrà benissimo, in particolare se tenuto a terra con dei pesi in caso di vento.

Dimostrare l'eccezionale accuratezza della tecnologia

Per confermare scientificamente l'accuratezza dell'Artec Space Spider, Tubbs ha preso un'unità di misura stabilita (righello) e l'ha fotografata con una reflex digitale Nikon D5000. Ha quindi elaborato la fotografia utilizzando il software ImageJ, contrassegnando ogni centimetro (cm) lungo i 20 cm del righello. Questo processo è stato ripetuto sul modello scansionato.

In alto: scansione 3D di Artec Space Spider con ogni cm misurato. In basso: immagine 2D dalla Nikon D5000, misurata con il software ImageJ

Confronto grafico tra accuratezza delle misurazioni di immagini 2D e precisione 3D di Artec Space Spider

Tubbs ha quindi rappresentato graficamente entrambe le misurazioni per mostrare la differenza di accuratezza tra i due metodi di acquisizione. Questo processo indica che entrambe le forme di misurazione sono accurate nel misurare le spighe di loietto perenne con alta fedeltà. La misurazione della fotografia 2D ha un errore di ± 1,72 mm. Mentre la scansione di Space Spider ha un errore di ± 0,09 mm. Le lievi differenze di accuratezza tra i due metodi non sono statisticamente significative (valore P di 0,92), ma servono a confermare la precisione dell'apparecchiatura.

Scansionare in 3D le spighe nell'oscurità

Nel corso dei due anni del progetto, durante le sue giornate di scansione, Tubbs si recava in macchina prima dell'alba all'Hyslop Crop Science Field Research Laboratory della Oregon State University e iniziava a scansionare. Dopo qualche ora faceva una pausa fino a sera, per poi ricominciare. L'esclusivo metodo di acquisizione di Artec Space Spider consentiva a Tubbs di lavorare tutta la notte, quando la luce ambientale era al minimo. Tubbs si occupava in totale di 640 piante di loietto.

Immagine di Google Maps che mostrano le origini dei 40 diversi semi di loietto forniti dall'USDA

Queste piante provenivano da semi raccolti dall'USDA da 40 diverse località in tutto il mondo, in Irlanda, Danimarca, Belgio, Paesi Bassi, Grecia, Algeria, Nuova Zelanda, Stati Uniti e altrove. Di quei 40 semi originali Tubbs ha raccolto e poi selezionato i quattro più rappresentativi della loro "famiglia" genetica. Ciò ha comportato una "ripetizione" di 160 piante. Queste 160 piante sono state clonate quattro volte e piantate in modo casuale in un grande campo, per rimuovere le variabili ambientali dall'analisi.

Tubbs ha scansionato solo una replica o un quarto dell'intero totale di 640 piante; questa replica più piccola ha permesso a Tubbs di scansionare e analizzare ogni pianta 6-8 volte per tutta la durata del progetto. Queste circa 800 scansioni 3D ad alta risoluzione di Space Spider hanno fornito a Tubbs un'immensa quantità di dati precisi che rivelavano quali piante sono meno inclini alla frantumazione dei semi e perché.

Schermata di Artec Studio 15 che mostra una scansione di Space Spider di una spiga di loietto nella modalità a raggi X

Tubbs ha riassunto il suo processo di scansione dicendo: "Prima di ogni scansione contrassegnavo la spiga, quindi una settimana dopo tornavo e catturavo di nuovo la stessa spiga. Dopo aver ripetuto questo processo tre o quattro volte potevo dire con sicurezza quale fosse l'aspetto di ogni spiga e tutte le sue spighette all'inizio e quale fosse alla fine. Dall'inizio alla fine puoi misurare con precisione la crescita organica che si verifica in ogni singola struttura di ogni spiga."

Tubbs ha continuato: "Il metodo tradizionale di fenotipizzazione non ti offre questo tipo di chiarissimo resoconto del ciclo di crescita della pianta. Devi distruggere la pianta per misurarla. E una volta fatto, non sarai mai in grado di dire come crescerà e come sarà domani o il giorno successivo o la prossima settimana."

La precisione di Space Spider al servizio della fenotipizzazione ad alto rendimento

Con le scansioni di Space Spider Tubbs è in grado di quantificare ogni singola spighetta fino a meno di un millimetro, con misurazioni precise su tutte le superfici irregolari e le geometrie presenti. Ciò include le caratteristiche topografiche complete dei grappoli di semi su ciascuna spighetta, i loro numerosi angoli e aspetti, così come la zona di abscissione (dove il seme si stacca dalla pianta), che sono tutti elementi cruciali quando si tratta dell'interpretazione del fenotipo unico di ciascuna pianta.

Spighette di loietto perenne

Tubbs ha riflettuto sul vecchio modo di fenotipizzare, confrontandolo all'enorme volume di dati rigorosamente accurati che ha catturato con Space Spider: "Di solito si prendono campioni casuali di sole 30 o 40 singole piante. E poi si stabilisce che quei campioni casuali rappresentano l'intero quadro generale, anche se su scala minore. Se guardi tutti i documenti scientifici in cui i ricercatori seguono quel vecchio metodo, essenzialmente procedono in questo modo."

Per testare le sue analisi ancora più a fondo, Tubbs ha esportato le scansioni 3D in 3D Slicer, un pacchetto software open-source per l'analisi delle immagini e la visualizzazione scientifica, dove ha iniziato a "scheletrare" i modelli ad alta risoluzione delle spighe di loietto. 3D Slicer consente a Tubbs di suddividere digitalmente ogni spiga 3D in una pila di migliaia di sezioni circolari separate.

Scansione di Space Spider scheletrato di una spiga di loietto

Normalmente utilizzata per i raggi X, le scansioni CT e MRI, questa funzionalità fornisce a Tubbs la materia prima per la fase successiva del processo di scheletratura. Prendendo queste spighe 3D tagliate digitalmente nel software ImageJ, Tubbs determina il centro esatto di ogni fetta delle migliaia che compongono ogni spiga.

Quindi collega il centro di ciascuna fetta, linea per linea, con la fetta successiva, ottenendo così una spiga contigua e dotata di scheletro. Secondo Tubbs, "Ciò permette di condensare la pianta fino al centro, all'essenza anatomica della sua struttura, con tutta la sua complessità, e mi dà come ricercatore proprio ciò di cui ho bisogno per studiare caratteristiche come la lunghezza delle spighe e l'architettura, il numero di spighette per punta, la distanza tra le spighette lungo il rachide nonché l'angolo di attacco della spighetta al rachide, le dimensioni della spighetta e altri aspetti."

Cereali, frutta e verdura di qualità superiore resistenti agli insetti e alla siccità

Una volta individuate le piante con i tratti e cicli vitali più desiderabili, queste piante specifiche possono essere studiate a livello genetico e utilizzate per la propagazione e la riproduzione con altre piante. In questo modo, in un minimo di generazioni, i ricercatori possono produrre non solo loietto di qualità superiore ma anche qualsiasi tipo di altre piante, il riso, l'orzo il grano e un ampio spettro di frutta e verdura. Piante che saranno altamente resistenti agli insetti e alla siccità e richiederanno poco o nessun pesticida.

Ma, secondo Tubbs, "Questa è una gara senza traguardo. Perché anche se inventiamo piante più robuste, gli insetti si adattano altrettanto velocemente, se non più velocemente, per superare la resistenza della pianta. Questa è una guerra che ha luogo tra piante e parassiti da ormai milioni di anni. Stiamo cercando di far pendere la bilancia a favore delle piante scegliendo quelle che hanno tratti che le aiuteranno a sopravvivere e prosperare. La fenotipizzazione ad alto rendimento e Artec Space Spider possono aiutarci a stare al passo con tutti gli altri concorrenti."

Un confronto tra i diversi aspetti della fenotipizzazione ad alto rendimento utilizzando metodi di raccolta digitale

La ricerca di strumenti efficaci per raggiungere questo obiettivo è sempre in aumento. Secondo Tubbs, "Oggi in agricoltura si spendono ingenti somme per la ricerca dedicata a soluzioni efficaci di fenotipizzazione ad alto rendimento. I ricercatori di tutto il mondo si stanno impegnando per scoprire come farlo per ogni singola coltura nel mondo. L'intero mondo dell'agricoltura sta cercando di capire come farlo."

Ha continuato: "Per quanto mi riguarda, mi sto concentrando sul loietto perché è il raccolto base di dove mi trovo. Ma potremmo fare altrettanto facilmente la stessa cosa con il mais, il grano o qualsiasi altro tipo di cereale o pianta."

Parlando della facilità d'uso intuitiva dello scanner, Tubbs ha affermato: "La tecnica che utilizzo per catturare il loietto o qualsiasi altra pianta non è difficile da imparare. Ho insegnato a diverse persone come utilizzare Artec Space Spider in alcune delle conferenze a cui abbiamo partecipato. Ci sono diverse tecniche che utilizzo quando sono sul campo e sono sempre felice di condividerle con altri ricercatori."

Riaffermando la sua fiducia nella tecnologia, Tubbs ha affermato: "Non c'è dubbio che la fenotipizzazione ad alto rendimento, quello che sto facendo con Artec Space Spider, sia il futuro dell'agricoltura. Consente ai coltivatori e agli agricoltori di selezionare le piante con i tratti più desiderabili abbastanza velocemente da rispondere alle richieste immediate e future, cioè essere resistenti alle ultime malattie e produrre una pianta che crescerà meglio nell'ambiente che cambia. Più velocemente possiamo prendere decisioni selettive, meglio possiamo prepararci per le future esigenze."