Как повысить урожайность с помощью высокопродуктивного фенотипирования и Artec Space Spider

11/06/2021

Автор: Мэттью МакМиллион

В мире стремительно заканчиваются запасы продовольствия, и с каждым годом проблема становится всё более серьезной. Численность населения растет, и ожидается, что к 2050 году она превысит 9,7 миллиардов человек. Многочисленные эксперты сходятся во мнении, что уровень производства продуктов питания должен к тому времени вырасти на 50–98%, чтобы как минимум добиться стабильного уровня продовольственной безопасности. Эти показатели, однако, не учитывают возможные последствия изменения климата, которые так же будут нарастать по мере приближения к середине столетия.

Цветущий колос плевела многолетнего

Фермеры всего мира сталкиваются с необходимостью выращивать еще больше урожая на постоянно уменьшающихся сельскохозяйственных площадях. При этом добиваться стабильных показателей необходимо несмотря на засухи, наводнения, эпидемии и болезни растений.

Учитывая, что сотни миллионов людей каждый вечер ложатся спать, не поужинав, нам предстоит пройти огромный путь, чтобы обеспечить как минимум текущие потребности в продовольственной безопасности. Эксперты всего мира сходятся в одном: если мы вообще собираемся когда-нибудь распутать этот гордиев узел, то потребуются беспрецедентные инновации в сельском хозяйстве.

Новейшие технологии с древними корнями

Одной из самых передовых инноваций, которая способная повысить урожайность на фоне сложных климатических условий, является процесс высокопроизводительного фенотипирования. По сути, он представляет собой наблюдение за конкретными растениями и их анализ, а затем селекцию и прогнозы на основе индивидуальных наблюдаемых характеристик этого растения. Именно такой селекцией занимаются фермеры уже более 10 000 лет.

Древнеегипетский жрец с пшеницей, Храм Гора в Эдфу, приблизительно II век до н. э.

Они ходили по полям и тщательно отбирали растения с самыми подходящими характеристиками, с которых затем собирали семена для дальнейшего посева. Примечательно, что собирали только те семена, которые еще оставались на колосе, игнорируя осыпавшиеся на землю зерна. Растения, поврежденные насекомыми и имеющие другие признаки болезни, также не рассматривались.

Многократное повторение такого сценария многими поколениями селекционеров привело к тому, что мы, по большей части, получили устойчивые урожайные сорта, которые сегодня кормят миллиарды людей во всем мире. В настоящее время примерно 75% всех потребляемых человеком калорий поступает всего из 12 основных культур, поэтому если для начала сосредоточиться на этих сортах, то у нас есть реальный шанс закрыть растущую потребность в продовольствии.

Но самое интересное начинается на стыке слов «высокопроизводительное» и «фенотипирование». Фактически, это означает использование различных инструментов и технологий, не разрушающих наблюдаемые образцы. Такой подход быстро увеличивает точность сбора данных о растении и их анализ. Традиционный способ фенотипирования требовал срезки растения для последующего анализа в лаборатории, где селекционеры тщательно изучали все его сложные физические характеристики и измеряли линейками и штангенциркулем.

Срочный поиск способов решения проблемы промышленного масштаба

Такой трудоемкий способ измерения вручную являлся стандартным на протяжении десятков лет. Однако с развитием технологий появилось высокопроизводительное фенотипирование. Одним из исследователей, который распознал огромный потенциал такого метода для более быстрого и точного сбора данных о растениях без причинения им вреда, стал американский майор космических войск Трэвис Таббс. В рамках исследования многолетнего плевела в Университете штата Орегон он осознал необходимость в точном анализе сотен растений, который будет отнимать значительно меньше времени, чем при использовании устаревших методов.

Схематичное изображение многолетнего плевела (Lolium perenne)

Многолетний плевел является самой популярной и максимально адаптированной к холодным условиям кормовой культурой, которая используется в животноводстве во многих странах мира. В 2019 году в одном только штате Орегон было заготовлено более 160 000 тонн семян плевела, что в денежном выражении составило более 186 миллионов долларов США. Однако ежегодно более 20% всего урожая безвозвратно теряется из-за преждевременного осыпания семян.

Осыпание является распространенной характеристикой многих растений. Когда оно происходит своевременно, это приводит к рассеиванию семян, которые в следующий сезон дают новый урожай.

Многолетний плевел в лаборатории полевых исследований Hyslop университета штата Орегон

По словам Таббса, «Чтобы точно понять, какие линии плевела наименее подвержены преждевременному осыпанию, необходимо проанализировать вторичные колоски сотен растений: измерить их высоту, длину, а также насколько плотно они удерживают семена. Если делать это традиционными ручными замерами, то вы в итоге не только переломаете множество растений, но еще и никогда не сможете точно измерить так много колосков за небольшой отрезок вегетационного периода».

На сцену выходит 3D-сканирование

Изучив возможности фотограмметрии и подобных методов быстрого сбора данных, Таббс был близок к тому, чтобы разработать собственный 3D-сканер для использования в полевых условиях. Именно в этот момент он попал на веб-сайт Artec 3D и обнаружил Artec Space Spider, портативный профессиональный 3D-сканер, за многие годы ставший любимцем ученых. Таббс быстро связался с ближайшим дилером и записался на личную презентацию устройства.

Artec Space Spider

Ричман Сиансимби из компании Digital Scan 3D, которая является сертифицированным дистрибьютером Artec с золотым статусом, встретился с Таббсом прямо на поле, где они вместе отсканировали образцы плевела с помощью Space Spider. В тот же день Таббс не только увидел, что субмиллиметровые сканы предоставляют более чем достаточно данных для анализа растений, но и при помощи Сиансимби сам попробовал себя в 3D-съемке, оценив всю простоту повторяющихся действий при сканировании колосьев плевела. Кстати, именно отработанные в первый день действия он и использует до сих пор.

Таббс просто выходит в поле и находит растение с вторичными колосками, которые он хочет отсканировать. Затем он аккуратно прижимает верхнюю часть растения к земле, где сканирует его на подходящем фоне. Изначально в качестве фона использовался фиолетовый резиновый эспандер: он был достаточно широким и гибким, и ровно лежал на земле в процессе сканирования, который занимал менее минуты на каждое растение.

Снимок экрана Artec Studio 15, на котором изображен скан колоса плевела, полученный на Space Spider

После дальнейших экспериментов и онлайн-помощи на веб-сайте Artec Таббс обнаружил, что жесткая черно-белая панель в качестве фона позволила облегчить обработку сканов в программе Artec Studio. Для исследователей, которым требуется еще более простое решение, Таббс рекомендует использовать газету, которая идеально подойдет для 3D-съемки, особенно если на случай ветра положить по краям что-то тяжелое.

Исключительная точность технологичного подхода

Чтобы с научной точки зрения подтвердить точность сканера Artec Space Spider, Таббс взял линейку и сфотографировал ее камерой Nikon D5000 DSLR. Затем он обработал снимок в программе ImageJ, отметив каждое основное деление 20-сантиметровой линейки. Тот же процесс он повторил на отсканированной модели.

Наверху: 3D-скан с Artec Space Spider с каждым отмеренным сантиметром. Внизу: 2D-изображение с фотоаппарата Nikon D5000 с разметкой, выполненной в программе ImageJ

Сравнительный график точности 2D-изображения и 3D-скана с Artec Space Spider

Затем Таббс поместил оба измерения на график, чтобы визуально оценить точность двух способов съемки. Этот процесс указывает на то, что оба метода сбора данных способны максимально точно измерить колосья многолетнего плевела. Измерения в 2D-фотографии имеют погрешность в ±1,72 мм, в то время как скан со Space Spider имеет погрешность в ±0,09 мм. Небольшая разница в точности двух показателей не является статистически значимой (р-величина составляет 0,92), однако она позволяет подтвердить точность оборудования.

3D-сканирование колосьев плевела в темноте

На протяжении двух лет, пока длился этот проект, в съемочные дни Таббс приезжал в лабораторию полевых исследований Hyslop университета штата Орегон до восхода солнца и начинал сканировать. Через несколько часов он покидал площадку до вечера, а затем снова приступал к съемке. Уникальный способ съемки Artec Space Spider даже позволял Таббсу работать всю ночь, когда естественное освещение было минимальным. Всего под его наблюдением было 640 растений.

Изображение с Google Maps, на котором показано происхождение 40 различных семян плевела, предоставленных министерством сельского хозяйства США

Эти растения получены из семян, которые получило министерство сельского хозяйства США из 40 разных стран мира, включая Ирландию, Данию, Бельгию, Нидерланды, Грецию, Алжир, Новую Зеландию и США. Из этих первых 40 семян Таббс вырастил, а затем выбрал четыре растения с самыми репрезентативными для их генетической «семьи» характеристиками. Из их семян получено 160 растений, которые были клонированы четыре раза и в произвольном порядке посеяны на большом поле, чтобы на анализ не повлияли факторы окружающей среды.

Таббс сканировал только одну выборку, или ¼ от всех 640 растений. Такая небольшая репликация позволила ему сканировать и анализировать каждое растение 6–8 раз на протяжении всего проекта. Около 800 полученных в высоком разрешении 3D-сканов, снятых на Space Spider, предоставили Таббсу огромный объем точных и показательных данных, объясняющих, какие растения менее подвержены раннему осыпанию семян и почему.

Снимок экрана Artec Studio 15 со сканом колоса плевела в режиме «Рентген»

Со временем Таббс обобщил свой опыт сканирования: «Перед каждой съемкой я отмечал колос, а через неделю возвращался и снова сканировал его. Повторив этот процесс три или четыре раза, я мог уверенно сказать, как выглядел каждый колос и его вторичные колоски в самом начале и сейчас. С самого начала и до конца можно точно измерить весь органический рост, который происходит в каждом отдельном элементе каждого колоса».

Таббс продолжает: «Традиционный способ фенотипирования не дает такой ясной картины вегетационного периода растения. Чтобы измерить колос, необходимо сорвать его, после чего уже невозможно сказать, как он будет выглядеть дальше: завтра, послезавтра или на следующей неделе».

Space Spider гарантирует точность высокопроизводительного фенотипирования

С помощью сканов, полученных на Space Spider, Таббс может проанализировать каждый миллиметр вторичного колоска, точно измерив неправильные поверхности и геометрии объекта. К ним относятся точные топографические характеристики групп семян на каждом вторичном колоске, их многочисленные изгибы и углы, а также отделительный слой (где семя отходит от растения) — все эти показатели крайне важны для интерпретации уникального фенотипа каждого растения.

Вторичные колоски многолетнего плевела

Сравнивая огромный объем абсолютно точных данных, который Таббс получил с помощью Space Spider, со старым способом фенотипирования, он рассказывает: «Исследователи просто случайно выбирали 30–40 отдельных растений, а затем утверждали, что эти случайно выбранные образцы представляют общую большую картину, только в уменьшенном масштабе. Если посмотреть на все научные труды, где исследователи используют старый метод, то становится понятно, что подход был именно таким».

Чтобы анализ был еще более точным, Таббс экспортировал 3D-сканы в 3D Slicer, ПО с открытым исходным кодом для анализа изображений и научной визуализации, где приступил к структурированию потрясающе четких моделей колосьев плевела. 3D Slicer позволяет Таббсу в цифровой среде разрезать каждый 3D-колос на тысячи отдельных круглых сегментов.

Структурированный скан колоса плевела, снятый с помощью Space Spider

Функция КТ- и МРТ-сканирования, которая обычно используется для рентгеновского излучения, предоставляет Таббсу исходный материал для следующего этапа структурирования. Перенеся эти рассеченные в цифровой среде 3D-колосья в ПО ImageJ, Таббс определяет точное расположение центра каждого из тысяч срезов, составляющих единый колос.

Затем он слой за слоем объединяет самый центр каждого среза с последующим срезом, в результате чего получает один сплошной структурированный колос. По словам Таббса, «Такой подход сжимает растение до самого центра, анатомического сердца его структуры, со всей его сложной природой, и дает мне, как исследователю, необходимые данные для изучения таких характеристик, как длина колоса и его архитектура, количество вторичных колосков на каждом колосе, расстояние между колосками вдоль оси, а также угол, под которым колосок расположен на оси, размер колоска и другие аспекты».

Зерно, фрукты и овощи с особой устойчивостью к вредителям и засухе

После выявления на поле растений с самыми желаемыми признаками и плодами эти образцы можно изучить на генетическом уровне и использовать для размножения и скрещивания с другими растениями. Таким образом, через минимальное количество поколений исследователи могут вывести не только уникальный плевел, но и любые виды других растений: от риса, ячменя и пшеницы до целого спектра фруктов и овощей. Можно получить культуры, которые будут невероятно устойчивыми к вредителям и засухе, и которые можно будет выращивать практически без пестицидов.

Однако, как говорит Таббс, «У этой гонки нет конца. Как только мы получаем более устойчивые культуры, вредители адаптируются с той же (если даже не с большей) скоростью, чтобы все равно иметь возможность поражать растения. Такая война идет между растениями и вредителями уже миллионы лет. Мы пытаемся перетянуть чашу весов в сторону растений, выбирая те образцы, которые обладают признаками, помогающими выживать и плодоносить. Высокопроизводительное фенотипирование и Artec Space Spider могут помочь нам быть на шаг впереди конкурентов».

Сравнение разных аспектов высокопроизводительного фенотипирования с помощью цифровых методов сбора данных

Поиск эффективных инструментов для достижения этих целей только возрастает. По словам Таббса, «Сегодня в сельском хозяйстве огромные суммы направляются на исследования, посвященные решениям для высокопроизводительного фенотипирования. Ученые всего мира пытаются понять, как применить такие подходы к каждой культуре на планете. Вся сельскохозяйственная отрасль в настоящее время пытается понять это».

Он продолжает: «Что касается меня, я сконцентрировался на плевеле, поскольку он является основной культурой моего региона. Но мы точно так же можем анализировать кукурузу или пшеницу, или любые другие злаки и культуры».

Говоря об интуитивной простоте сканера, Таббс добавляет: «Техника, которую я использую для съемки плевела или любого другого растения, очень проста в использовании. Я учил людей пользоваться сканером Artec Space Spider на конференциях, в которых мы принимали участие. Для работы в поле я пользуюсь разными методами и всегда рад поделиться ими с другими исследователями».

Подтверждая свою уверенность в этой технологии, Таббс подводит итог: «Нет сомнений, что высокопроизводительное фенотипирование, которое я провожу с помощью Artec Space Spider, является будущим сельского хозяйства. Оно позволяет селекционерам и фермерам достаточно быстро выбирать растения с самыми желаемыми признаками, чтобы удовлетворять имеющиеся и будущие потребности. Это может означать устойчивость к новейшим болезням или создание растения, которое будет лучше всего расти в условиях меняющегося климата. Чем быстрее мы сможем принимать избирательные решения, тем лучше мы сможем подготовиться к будущим потребностям».