Использование возможностей искусственного интеллекта для изучения микробиомов растений — сообществ микроорганизмов, обитающих в растениях и вокруг них, — может помочь улучшить здоровье почвы, повысить урожайность и восстановить деградированные земли. Но есть один нюанс: для обучения ИИ необходимы огромные объемы надежных данных, а получить такую достоверную информацию о взаимодействии растений и микроорганизмов до сих пор было непросто.
В статье, опубликованной в журнале PLOS Biology, исследователи из отдела бионаук Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) возглавили международный консорциум ученых, изучающих, могут ли небольшие пластиковые камеры для выращивания растений, называемые EcoFAB, помочь решить эту проблему.
Опираясь на свои предыдущие исследования с растениями, свободными от микробов, ученые использовали разработанные в Беркли устройства для проведения идентичных экспериментов с растениями и микробами в лабораториях на трех континентах и получили совпадающие результаты. Этот прорыв показывает, что EcoFABs могут устранить один из самых больших барьеров в исследованиях микробиома: сложность воспроизведения экспериментов в разных местах.
«Есть поговорка: «Плохие данные на входе – плохие данные на выходе». Если вы хотите делать значимые прогнозы о микробах и растениях, особенно с помощью будущих моделей ИИ, вам нужны чистые, согласованные наборы данных. EcoFABs обеспечивают именно это», — сказал Властимил Новак, первый автор статьи и научный сотрудник отдела экологической геномики и системной биологии (EGSB) Лаборатории Беркли.
Соавтор исследования Джон Фогель, возглавляющий группу функциональной геномики растений в Объединенном геномном институте (JGI), добавил, что эта работа основана на многолетних исследованиях модельных злаковых растений. JGI — это национальный научно-исследовательский центр Министерства энергетики США, расположенный в Берклиевской лаборатории.
«Этот проект использует ресурсы, разработанные JGI для коротконожки, модельного растения Brachypodium, для создания системы, в которой мы можем контролировать микробиом, окружающую среду и даже генетику растения. Это делает его мощной платформой для воспроизводимых комплексных научных исследований», — сказал Фогель.
Всемирное испытание
Научный сотрудник EGSB Питер Андеер разработал устройства EcoFAB — простые прозрачные коробки размером примерно с контейнер для еды на вынос, — позволяющие ученым выращивать растения контролируемым образом.
Для этого проекта Новак и его коллеги предоставили наборы EcoFAB и подробные протоколы лабораториям под руководством Джеффа Дангла из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле, Пола Шульце-Леферта из Института исследований селекции растений им. Макса Планка в Германии, Борьяны Арсовы из Юлихского исследовательского центра в Германии и Мишель Уотт из Мельбурнского университета в Австралии. Каждый набор содержал одинаковые семена, одинаковый набор из 16 или 17 микроорганизмов и пошаговые инструкции.
«Внедрение полезных микроорганизмов в сельское хозяйство — это не так просто, как добавление их в почву, — сказал Дангл. — Им необходимо выжить, закрепиться внутри растения и работать вместе с существующими микробными сообществами. Испытания EcoFAB Ring Trial помогают нам понять, как создавать микроорганизмы, которые процветают в различных средах».
Необходимость в подобных исследованиях была подчеркнута на нескольких семинарах, организованных Трентом Нортеном, старшим научным сотрудником подразделения EGSB, для решения фундаментального вопроса: как проводить эксперименты с микробиомом стандартизированным и воспроизводимым способом? В действительности это оказалось сложной логистической задачей. Перевозка живых микробов за границу требовала огромного количества документов, строгих правил безопасности и почти комичного количества сухого льда.
«Всего две небольшие пробирки с микробами нужно было упаковать более чем в 22 кг сухого льда, и даже тогда одна партия растаяла на таможне», — сказал Новак.
Несмотря на все трудности, каждой лаборатории удалось вырастить растения в средах EcoFAB, инокулировать их микробами и отправить образцы на анализ в Берклиевскую лабораторию.
В ходе исследования ученые сравнили воздействие двух микробных сообществ: одного, состоящего из 16 видов бактерий, и другого, состоящего из 17. Единственное различие заключалось в наличии одного особенно агрессивного колонизатора корней, Paraburkholderia sp. OAS925.
В каждой лаборатории этот микроб неизменно захватывал корневую среду растения при его наличии. Растения с этим микробом росли немного меньше, чем растения без него — это четкий и воспроизводимый результат на трех континентах.
Ученые также изучали корневые экссудаты — небольшие молекулы, выделяемые корнями растений, которыми питаются микробы и которые служат «химическим языком» между корнями и микробами. Используя специализированные приборы, команда измерила десятки этих химических веществ и обнаружила, что большинство закономерностей совпадают в разных лабораториях, что доказывает воспроизводимость экспериментов.
Некоторые нестабильные соединения, такие как дофамин, демонстрировали более значительные колебания концентрации, а в некоторых камерах для выращивания растений температура была выше или ниже ожидаемой, что приводило к незначительным различиям в размере растений. Но в целом картина была ясна: системы EcoFAB давали стабильные результаты по всему миру.
«Уникальная конструкция EcoFAB позволяет нам отслеживать множество взаимодействующих элементов с разным уровнем сложности, воспроизводимо в разных лабораториях по всему миру. Благодаря возможности точно контролировать условия роста и отслеживать развитие во времени, мы можем начать разбираться в этих многосторонних взаимосвязях и в конечном итоге применить эти знания для улучшения сельского хозяйства», — сказала соавтор Борьяна Арсова из Юлихского исследовательского центра.
Преодоление барьера воспроизводимости
Растительные микробиомы играют важную роль в сельском хозяйстве и окружающей среде. Правильно подобранные микроорганизмы могут помочь растениям бороться с болезнями, расти на бедных почвах и способствовать накоплению органических веществ в почве. Однако без единой системы для их изучения результаты, полученные в разных лабораториях, часто было трудно сопоставить.
EcoFABs меняют это, выступая в качестве «модельной системы» для изучения микробиомов растений — подобно тому, как плодовые мушки произвели революцию в генетике или как растение Arabidopsis (резуховидка Таля) произвело революцию в биологии растений. Когда ученые во всем мире используют один и тот же инструмент, открытия могут происходить быстрее.
Уотт, возглавлявшая эксперименты EcoFAB в Австралии, заявила, что этот прорыв давно назрел: «Перенос преимуществ взаимодействия растений и микробиома на практику идет медленно, потому что результаты сильно различаются в разных лабораториях. Это глобальное исследование показывает, что EcoFAB преодолевают этот барьер воспроизводимости».
Заправка ИИ
Способность генерировать большие и надежные наборы данных особенно ценна для искусственного интеллекта. Для обучения ИИ необходима согласованная информация. С помощью EcoFABs ученые могут предоставлять ИИ чистые данные о том, как микроорганизмы влияют на растения, и начинать строить модели, которые предсказывают, что может произойти в реальном мире.
«Это исследование также предоставляет одни из первых данных об экспериментальных различиях между лабораториями в подобных исследованиях взаимодействия растений и микробиома, что будет важно учитывать в моделях искусственного интеллекта, интегрирующих данные из нескольких лабораторий», — сказал Нортен.
Инструменты для научного сообщества
Ученые могут бесплатно получить доступ к устройствам EcoFAB 2.0 через программу JGI Community Science Program и программу Facilities Integrating Collaborations for User Science (FICUS), которые представляют собой инициативы, основанные на подаче заявок, где проекты отбираются в соответствии с научной ценностью и актуальностью для Министерства энергетики США. Смесь из 17 микроорганизмов можно заказать в DSMZ-German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH, а подробные инструкции — с видео- и видеоматериалами — доступны онлайн.
Данные нового исследования также находятся в свободном доступе через Национальную сеть сотрудничества по данным о микробиоме, что дает будущим исследователям ориентир для сравнения результатов собственных экспериментов. Проект отражает основные ценности Лаборатории Беркли — сотрудничество и инновации, объединяя команды экспертов для решения сложных задач.
Далее команда надеется объединить EcoFAB с робототехникой и передовыми датчиками, чтобы создать самоуправляемую лабораторию для подобных экспериментов. Нынешняя система, «EcoBOT», в будущем сможет проводить эксперименты автоматически, генерируя потоки высококачественных данных.
Конечная цель — создание полезных микробных сообществ, способствующих росту биотопливных и других культур и оздоровлению почвы.
«Строгая наука подразумевает получение стабильных результатов при постановке одного и того же вопроса. Собрав данные из лабораторий на трех континентах, эта работа показывает, что воспроизводимость возможна в исследованиях микробиома растений — важный шаг на пути к разработке микробных пробиотиков для реального сельского хозяйства», — заключил Пол Шульце-Леферт из Института Макса Планка.
Источник: Lawrence Berkeley National Laboratory. Автор: Уилл Фергюсон.
На фото: работа с EcoFAB 2.0. EcoFAB 2.0 подходит для небольших модельных растений, таких как Brachypodium distachyon, и совместим с автоматизированными системами, используемыми в большинстве лабораторий. Автор фото: Тор Свифт/Лаборатория Беркли.
