找出能夠適應「更熱地球」的根將有助於緩解糧食供應的壓力
2022/01/07 @國際
摘要
地球正在發燒，世界各地數千萬人受到熱浪威脅，台灣的高溫警報也快變成生活日常。而植物能進行光合作用，捕捉大氣中的二氧化碳，並將碳儲存在土壤裡，所以植物根長的越多、扎得愈深，碳就能更穩定地被「種」在土壤裡，進而減緩二氧化碳所帶來的溫室效應。但是根系生長在土壤中無法直接觀察和研究，因此最新研究使用DIRT/3D來自動捕捉植物根系的3D成像，並利用大數據平台做更有效地識別作物中新的根系特徵，找出能適應未來更多的乾旱、更高的溫度、低土壤肥沃度的植物，進而育種出具更深更廣根系的作物，滿足未來人類的糧食需求。
示意圖
由超級電腦驅動的根系3D成像，幫助育種者開發能適應氣候變遷的植物給農民。多數人看到植物的第一眼，會被其枝條上生長的果實、花朵及其他可見的構造所吸引。然而位於土壤下方的部分-根分支上的根毛能夠吸收土壤裡的水分和養分，卻引起了美國Georgia大學植物學副教授，同時也是資訊學家的Alexander Bucksch的興趣。根系的健康和生長對我們的未來有深遠的影響。儘管氣候不斷變化，我們仍能種植足夠的糧食來養活自己，並利用植物固定大氣中的碳到土壤中，這對我們和其他物種的生存至關重要。
Bucksch認為一切來自於根的品質。他提出疑問:「當世界有狀況發生時，人類可以移動來躲避，但植物能做什麼反應？」事實上，植物透過改變他們的基因組來存活下去，他們在進化!直到最近，農民和植物育種者還沒有很好的方法來收集有關植物根系的資訊，或者決定拿來種植深根系作物的最理想的種子。本月發表在《Plant Physiology》上的一篇論文中，Bucksch及其同事介紹DIRT/3D(根特徵影像數位化)，這是一個以圖像建構的3D根系表型分析平台，可以測量以鏟子組學技術挖掘在田間生長的成熟玉米根冠，其18種的結構特徵。在他們的實驗中，該系統確實地計算了12個截然不同的玉米基因型所表現的性狀，包括輪生葉序的間距及節根的數量、彎曲角度和直徑，結果系統與手動測量的一致性達到84%。
該研究得到了美國能源高等研究計劃署(ARPA-E)的ROOTS項目和國家科學基金會(NSF)CAREER獎的支持。植物科學榮譽教授，同時也是論文的合著者Jonathan Lynch，其研究著重在了解植物對於乾旱和低土壤肥沃度的適應。他說到:「這項技術將讓大家變得更加方便分析和理解，根實際在田間環境中的作用，也因此將更容易育種出滿足人類需求的未來作物。」DIRT/3D安裝了自動相機，替每個根從各個角度分別拍攝2,000張影像。它使用由10台Raspberry Pi微型電腦組成的模組，同步10個相機所拍得的影像後將資料傳輸到CyVerse數據庫(在美國給學術研究人員使用的國家網絡基礎設施)進行3D重建。該系統生成的每個3D點雲註，代表著每個支根的節點和葉序，即根系的數位分身註。這些數據可以被研究、儲存和做資料比對。(註:「點雲」是三維空間中的一組數據點，一顆點雲相對應一個x,y,z坐標；「數位分身」是藉由真實物體的即時數據所做出的3D模型，讓3D模型的視覺表現與真實物體保持一致。)收集這些數據只需花上幾分鐘，和使用MRI或X光機速度一樣快。但裝置的成本並不需要花費昂貴的50萬美元，只需幾千美元就可建造，因此這項技術可以擴展到對數千個樣本進行高通量測量，而這就是農民發展新作物所需要的。
3D掃描器也使基礎科學理論成真，並解決了在植物生物學中，因為有限的樣本數而導致的預選偏差問題。Bucksch解釋:「生物學家主要在研究最常見的一種根結構-我們稱之為顯性根表徵。卻忽略了其他種根的表徵，它們可能有其功能性和所扮演的角色，但我們只是稱它們為噪音。該系統將研究3D結果中的這些噪音，看看其他種根可能具有什麼功能。」「每個人使用DIRT/3D對根進行成像後，便很快地能夠將他們的數據上傳到名為PlantIT的服務程式，該程式可以執行論文中所描述的分析，並提供對於早期節點根長和根系偏心率之廣泛特徵的相關資料。這些數據讓研究人員和育種者可以比較來自相同或相異種子的植物根系。」透過後台的大數據處理能力使這樣的架構想像能夠實現，而這些都是由Texas高級計算中心(TACC)從CyVerse數據庫接收大量資料所做的數據計算。
儘管對根冠拍照只需花五分鐘，但做出點雲和量化特徵的數據卻需耗時好幾個小時，並且需要很多台電腦處理器來同步進行。Bucksch經由XSEDE的補助，在TACC使用NSF(美國國家衛生基金會)贊助的Stampede 2超級電腦，讓他的研究可以繼續進行，並為公共的DIRT/2D和DIRT/3D服務提供支援。DIRT/3D是先前2D版本的進階軟體，使用手機鏡頭就可以獲得有關根的訊息。自2016年推出以來，DIRT/2D已經被證明是該領域的有力工具。全世界有數百名植物學家，包括頂尖農業公司的研究人員都在使用它。這個計畫是ARPA-E(美國能源高等研究計畫署) ROOTS項目的一部分，並致力於開發新技術，以增加土壤和植物根系間儲存的碳含量。ARPA-E ROOTS項目David Babson博士說:「DIRT/3D平台讓研究人員能夠識別作物中新的根系特徵，並育種出具更深更廣根系的植物。這類技術的開發將有助於促進氣候變遷趨緩及環境恢復，也為農民提供降低成本同時提高作物生產力的工具。我們很高興看到團隊在PSU(美國賓夕法尼亞州立大學)和UGA(美國喬治亞大學)的進步改變了原先的發展。」DIRT/3D讓使用者發現了一些表現根性狀的基因。
Bucksch引用了近期一份關於「高粱對Striga的抗性」研究，作為他希望用戶使用DIRT/3D的成果範例。Striga是一種寄生性的雜草，在非洲經常破壞大範圍的高粱收成。加州大學Davis分校資深的博士後研究員Dorota Kawa發現:某些品種的高粱具有能抵抗Striga的根系。她使用DIRT/2D取得這些高粱根的性狀，並找出表現這些性狀所對應的基因，這些基因能調控根內化學物質的釋放，進而觸發植物中Striga的萌發。相較於DIRT/2D，使用DIRT/3D不僅提高品質，還多了只有透過3D掃描才能捕捉到的特徵。農民在未來幾年會面臨越來越多挑戰，包括更多的乾旱、更高的溫度、低土壤肥沃度及需要以產生較少溫室氣體的方式來種植糧食。能夠適應「未來條件」的根將有助於緩解糧食供應的壓力。Bucksch說:「DIRT/3D的潛力正幫助我們生活在一個更熱的星球上並仍能獲得足夠的食物。雖然我們都知道未來將面對這些棘手的問題，卻沒有人願意多談。而地球可能會在未來某個時刻不再生產出足夠的食物供應給人類，因此我希望科學界，可以開發更適應乾旱及碳封存註的植物來避免這個時間點到來。」(註:「碳封存」為捕集產生的二氧化碳並封存於地質構造中，進而減少二氧化碳釋放到大氣中，因此減緩二氧化碳造成的全球暖化。)【延伸閱讀】加速植物育種新技術
資料來源
文章摘譯
