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Adaptar las raíces a un planeta más cálido podría aliviar la presión sobre el suministro de alimentos

Imágenes en 3D de sistemas de raíces impulsadas por supercomputadora para ayudar a los fitomejoradores a desarrollar plantas adaptadas al cambio climático para los agricultores

Fecha :
29 de julio de 2021
Fuente :
Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas
Resumen :
Los brotes de las plantas obtienen todo el esplendor, con sus frutos, flores y estructura visible. Pero es la parte que se encuentra debajo del suelo, la ramificación, que llega a los brazos de las raíces y los pelos que extraen agua y nutrientes, lo que interesa a algunas plantas.fisiólogo y científico de la computación.
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Los brotes de las plantas obtienen todo el esplendor, con sus frutos, flores y estructura visible. Pero es la parte que se encuentra debajo del suelo, la ramificación, que llega a los brazos de las raíces y los pelos que extraen agua y nutrientes.fisiólogo vegetal e informático, Alexander Bucksch, profesor asociado de Biología Vegetal en la Universidad de Georgia.

La salud y el crecimiento del sistema de raíces tiene profundas implicaciones para nuestro futuro.

Nuestra capacidad para cultivar suficientes alimentos para sustentar a la población a pesar de un clima cambiante y para fijar el carbono de la atmósfera en el suelo es fundamental para nuestra supervivencia y la de otras especies. Las soluciones, cree Bucksch, residen en las cualidades deraíces.

"Cuando hay un problema en el mundo, los humanos pueden moverse. ¿Pero qué hace la planta?", Preguntó. "Dice: 'Alteremos nuestro genoma para sobrevivir'. Evoluciona".

Hasta hace poco, los agricultores y los fitomejoradores no tenían una buena manera de recopilar información sobre el sistema de raíces de las plantas o tomar decisiones sobre las semillas óptimas para desarrollar raíces profundas.

En un artículo publicado este mes en Fisiología vegetal , Bucksch y sus colegas presentan DIRT / 3D Digital Imaging of Root Traits, una plataforma de fenotipado de raíces 3D basada en imágenes que puede medir 18 rasgos de arquitectura de coronas de raíces de maíz maduras cultivadas en el campo excavadas con la técnica de Shovelomics.

En sus experimentos, el sistema calculó de manera confiable todos los rasgos, incluida la distancia entre verticilos y el número, ángulos y diámetros de raíces nodales para 12 genotipos de maíz contrastantes con un 84 por ciento de concordancia con las mediciones manuales. La investigación cuenta con el apoyo del programa ROOTSde la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía ARPA-E y un premio CAREER de la National Science Foundation NSF.

"Esta tecnología facilitará el análisis y la comprensión de lo que hacen las raíces en entornos de campo reales y, por lo tanto, facilitará la obtención de cultivos futuros para satisfacer las necesidades humanas", dijo Jonathan Lynch, profesor distinguido de ciencia vegetal y coautor., cuya investigación se centra en comprender las bases de la adaptación de las plantas a la sequía y la baja fertilidad del suelo.

DIRT / 3D utiliza una configuración de cámara motorizada que toma 2000 imágenes por raíz desde cada perspectiva. Utiliza un grupo de 10 microcomputadoras Raspberry Pi para sincronizar la captura de imágenes de 10 cámaras y luego transfiere los datos a CyVerse DataStore, la ciberinfraestructura nacional para investigadores académicos, para la reconstrucción 3D.

El sistema genera una nube de puntos 3D que representa cada nodo raíz y verticilo: "un gemelo digital del sistema raíz", según Bucksch, que se puede estudiar, almacenar y comparar.

La recopilación de datos lleva solo unos minutos, lo que es comparable a una máquina de resonancia magnética o rayos X. Pero la construcción del equipo solo cuesta unos pocos miles de dólares, en lugar de medio millón, lo que hace que la tecnología sea escalable para un alto rendimiento.mediciones de rendimiento de miles de especímenes, que se necesitan para desarrollar nuevas plantas de cultivo para los agricultores. Sin embargo, el escáner 3D también permite la ciencia básica y aborda el problema del sesgo de preselección debido a las limitaciones de la muestra en biología vegetal.

"Los biólogos observan principalmente la estructura de una raíz que es más común, lo que llamamos el fenotipo de la raíz dominante", explicó Bucksch. "Pero la gente se olvidó de todos los demás fenotipos. Es posible que tengan una función y un papel que cumplir. Pero simplemente lo llamamos ruido ", dijo Bucksch." Nuestro sistema examinará ese ruido en 3D y verá qué funciones pueden tener estas raíces ".

Las personas que usan DIRT / 3D para obtener imágenes de raíces pronto podrán cargar sus datos en un servicio llamado PlantIT que puede realizar los mismos análisis que Bucksch y sus colaboradores describen en su artículo reciente, proporcionando información sobre una amplia gama de características delongitud de la raíz nodal joven a la excentricidad del sistema de raíces. Estos datos permiten a los investigadores y a los fitomejoradores comparar los sistemas de raíces de las plantas de la misma o diferentes semillas.

El marco es posible gracias a las enormes capacidades de procesamiento de números entre bastidores. Estas son proporcionadas por el Centro de Computación Avanzada de Texas TACC, que recibe cantidades masivas de datos de la Cyberinfrastructure CyVerse para la computación.

Aunque solo se necesitan cinco minutos para obtener una imagen de la corona de la raíz, el procesamiento de datos para crear la nube de puntos y cuantificar las características lleva varias horas y requiere muchos procesadores que computan en paralelo. Bucksch usa la supercomputadora Stampede2 financiada por NSF en TACC a través de una asignacióndel Extreme Science and Engineering Discovery Environment XSEDE para permitir su investigación y alimentar los servidores públicos DIRT / 2D y DIRT / 3D.

DIRT / 3D es una evolución de una versión 2D anterior del software que puede derivar información sobre las raíces utilizando solo la cámara de un teléfono móvil. Desde su lanzamiento en 2016, DIRT / 2D ha demostrado ser una herramienta útil para el campo. Cientosde los científicos de plantas de todo el mundo lo utilizan, incluidos los investigadores de las principales empresas agrícolas.

El proyecto es parte del programa ROOTS de ARPA-E, que está trabajando para desarrollar nuevas tecnologías que aumenten el almacenamiento de carbono en el suelo y los sistemas de raíces de las plantas.

"La plataforma DIRT / 3D permite a los investigadores identificar nuevos rasgos de las raíces en los cultivos y generar plantas con raíces más profundas y extensas", dijo el Dr. David Babson, director del programa ARPA-E ROOTS. "El desarrollo de este tipo de tecnologíasayudar a promover la mitigación del cambio climático y la resiliencia al mismo tiempo que brinda a los agricultores las herramientas para reducir los costos y aumentar la productividad de los cultivos. Estamos entusiasmados de ver el progreso que el equipo de PSU y UGA ha logrado en el transcurso de su premio ".

La herramienta ha llevado al descubrimiento de varios genes responsables de los rasgos de las raíces. Bucksch cita un estudio reciente de Striga hermanthica resistencia en el sorgo como el tipo de resultado que espera para los usuarios de DIRT / 3D. Striga, una maleza parásita, destruye regularmente las cosechas de sorgo en grandes áreas de África.

La investigadora principal, Dorota Kawa, una postdoctora en UC Davis, descubrió que hay algunas formas de sorgo con raíces resistentes a Striga. Derivó rasgos de estas raíces usando DIRT / 2D, y luego mapeó los rasgos a genes queregular la liberación de sustancias químicas en las raíces que desencadenan la germinación de Striga en las plantas.

DIRT3D mejora la calidad de las caracterizaciones de raíz realizadas con DIRT / 2D y captura características a las que solo se puede acceder cuando se escanea en 3D.

Se espera que los desafíos que enfrentan los agricultores aumenten en los próximos años, con más corrientes de aire, temperaturas más altas, baja fertilidad del suelo y la necesidad de cultivar alimentos en formas que produzcan menos gases de efecto invernadero. Las raíces que se adapten a estas condiciones futuras ayudaránaliviar la presión sobre el suministro de alimentos.

"El potencial, con DIRT / 3D, es ayudarnos a vivir en un planeta más caliente y lograr tener suficiente comida", dijo Bucksch. "Ese es siempre el elefante en la habitación. Podría haber un punto en el que este planeta pueda"Ya producimos suficientes alimentos para todos, y espero que nosotros, como comunidad científica, podamos evitar este punto desarrollando plantas mejor adaptadas a la sequía y secuestradoras de CO2 ".


Fuente de la historia :

Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Original escrito por Aaron Dubrow. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.


Referencia de la revista :

  1. Suxing Liu, Carlos Sherard Barrow, Meredith Hanlon, Jonathan P Lynch, Alexander Bucksch. SUCIEDAD / 3D: fenotipado de raíces 3D para maíz cultivado en el campo Zea mays . Fisiología vegetal , 2021; DOI: 10.1093 / plphys / kiab311

cite esta página :

Universidad de Texas en Austin, Texas Advanced Computing Center. "La adaptación de las raíces a un planeta más caliente podría aliviar la presión sobre el suministro de alimentos: Imágenes 3D de sistemas de raíces impulsadas por supercomputadoras para ayudar a los fitomejoradores a desarrollar plantas adaptadas al cambio climático para los agricultores". ScienceDaily.ScienceDaily, 29 de julio de 2021. .
Universidad de Texas en Austin, Texas Advanced Computing Center. 2021, 29 de julio. Adaptar las raíces a un planeta más cálido podría aliviar la presión sobre el suministro de alimentos: Imágenes en 3D de sistemas de raíces impulsadas por supercomputadoras para ayudar a los criadores a desarrollar plantas adaptadas al cambio climáticopara los agricultores. ScienceDaily . Obtenido el 29 de julio de 2021 de www.science-things.com/releases/2021/07/210729143426.htm
Universidad de Texas en Austin, Texas Advanced Computing Center. "La adaptación de las raíces a un planeta más caliente podría aliviar la presión sobre el suministro de alimentos: Imágenes 3D de sistemas de raíces impulsadas por supercomputadoras para ayudar a los fitomejoradores a desarrollar plantas adaptadas al cambio climático para los agricultores". ScienceDaily.www.science-things.com/releases/2021/07/210729143426.htm consultado el 29 de julio de 2021.

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