Улучшение сельскохозяйственных культур с помощью лазеров и 3D-печати

Новое исследование демонстрирует применение современных технологий в селекции XXI века, объединяя лазерное сканирование и 3D-печать для создания детальной модели растения сахарной свёклы.

В дополнение к генетической информации для «интеллектуальной» селекции, 3D-модели растений фиксируют ключевые характеристики их надземной части и могут использоваться в автоматизированных процессах улучшения культур с искусственным интеллектом. Модели сахарной свёклы воспроизводимы и пригодны для использования в полевых условиях.

Все данные, методология и файлы для 3D-печати находятся в свободном доступе. Исследование и валидация модели представлены в журнале GigaScience.

Точные модели для точной селекции

Современная селекция растений — это наукоёмкий процесс с использованием алгоритмов машинного обучения и сложных технологий визуализации для отбора желаемых признаков. Фенотипирование растений — сбор точных данных и измерений — значительно улучшилось за последние годы.

Автоматизированные системы с датчиками и ИИ измеряют размер, качество плодов, форму и размер листьев и другие параметры роста, захватывая сложную информацию, которую трудно собрать человеку в больших масштабах.

Ключевой аспект — наличие точного эталонного материала. Датчикам нужны данные о «стандартном растении», включая сложные трёхмерные признаки, например, угол ориентации листьев. Физическая модель-эталон предпочтительнее просто компьютерных данных или 2D-изображения. Её можно разместить в теплице или на опытном поле среди реальных растений для контроля.

От лазерного сканирования до 3D-модели

Для создания реалистичной модели авторы (Йонас Бёмер и коллеги из Института исследований сахарной свёклы, Гёттинген, и Боннского университета) использовали технологию LIDAR (Light Detection and Ranging). Реальное растение сахарной свёклы было отсканировано лазером с 12 разных ракурсов для получения 3D-данных.

После обработки эти данные были загружены в промышленный 3D-принтер для печати модели в натуральную величину. Модель была протестирована в лаборатории и в поле в качестве эталона.

Йонас Бёмер поясняет: «В области трёхмерного фенотипирования растений калибровка используемых сенсорных систем, алгоритмов и морфологических параметров представляет собой сложную, но фундаментально важную задачу. Применение аддитивных технологий для создания воспроизводимых эталонных моделей открывает новые возможности для разработки стандартизированных методов объективной и точной калибровки».

Перспективы и доступность

Бесплатная доступность файлов для печати позволяет другим учёным воссоздать точную копию эталонного растения, что повышает сопоставимость исследований в разных лабораториях мира. Низкая стоимость 3D-печати делает подход применимым в условиях ограниченных ресурсов.

Данный метод не ограничивается сахарной свёклой. Исследование показывает, как комбинация ИИ, 3D-печати и сенсорных технологий может способствовать селекции будущего.

Учёный по данным Крис Армит добавляет: «Преимущество печатной 3D-модели в том, что можно напечатать множество копий. Как низкозатратная стратегия фенотипирования, где основная стоимость — это сканер LIDAR, было бы прекрасно увидеть применение этого подхода к другим культурам, таким как рис или африканские малораспространённые культуры, где необходимы недорогие решения для фенотипирования».