ライ麦のハイスループット表現型解析のための3Dスキャンにより、作物選択サイクルが大幅に短縮

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プロジェクトの背景

2022年11月15日、世界人口は正式に80億人に到達しました。国連は、平均寿命と出産年齢の人口の増加により、世界の人口は2030年までに約85億人に増加し、2050年には97億人に達し、2080年代には約104億人でピークを迎え、2100年までこのレベルにとどまると予測しています。

世界の人口は増加し続けており、世界的な食糧危機が起こりつつあります。すべての国がますます深刻化する食糧安全保障上の課題に直面しています。ますます狭まる耕作地面積で、どのようにしてより多くの食糧を生産できるのでしょうか。干ばつ、洪水、疫病、害虫や病気の襲来の中で、作物の収穫量をできるだけ安定させるにはどうすればよいでしょうか?

科学技術は主要な生産力です。食糧安全保障の課題を解決するためには、ハイテクの開発と導入を継続し、革新的な農業発展の道を歩まなければなりません。

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歴史的起源

簡単に言えば、表現型解析とは、特定の植物を観察して分析し、観察可能な特性を決定して予測を行うプロセスです。私たちの祖先は、農業が始まって以来、1万年以上もの間これを行ってきました。

△古代エジプトのホルス神殿の神官が小麦を手にしている。紀元前2世紀頃、農民は理想的な形質を持つ植物を厳選し、種子を集め、翌年も植え続けた。私たちの祖先は数え切れない世代にわたってこの単純な育種プロセスを繰り返し実行し、栄養価が高く適応性の高い多数の作物品種を残してきました。現在、人間が日常的に摂取するカロリーの約 75% は、12 種類の主要作物から得られています。したがって、これらの作物に焦点を当てることで、全人類の増大する食糧需要を満たすことができる可能性が高まります。

従来の表現型解析法では、植物を分解し、分析のために研究室に持ち帰る必要があります。その後、定規とノギスを使用して、植物の複雑な物理的特性の詳細な研究と測定が行われました。しかし、近年、農業技術の最先端の革新により、「ハイスループット」と「フェノタイピング」が組み合わされ、より高度なハイスループットフェノタイピング法が形成されました。この技術は主に、さまざまな非破壊ツールと技術を通じてプラントデータの収集と分析の精度を急速に向上させることを指します。 3 次元スキャナーは、ハイスループット表現型解析でよく使用されるデータ取得ツールの 1 つです。

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ハイスループット表現型解析は農業生産の増加に役立つ

アメリカ宇宙軍のトラビス・タブス少佐は、植物データを非破壊的に、より速く、より正確に収集するハイスループット表現型解析の大きな可能性を認識した研究者の一人です。彼はオレゴン州立大学でペレニアルライグラスを研究しており、以前よりもずっと短時間で何百もの植物を正確に分析する方法を見つけることに興味を持っていました。

△ペレニアルライグラスのイラストペレニアルライグラスは、最も人気があり、適応力の高い冷涼地を好む作物の一つで、多くの国で家畜の飼料として使用されています。 2019年にはオレゴン州だけで3億6000万ポンドの多年生ライ麦が収穫され、その価値は1億8600万ドル以上に上った。しかし、多年生ライ麦では早期脱穀がよく起こる現象であり、ライグラスの生産量は毎年少なくとも 20% 減少します。

△ ペレニアルライグラスオレゴン州立大学フィールド研究室のタブス氏は、「ライグラスのどの系統が早期脱穀しにくいかを正確に知るためには、何百もの植物の小穂を分析して、種子の安定性と小穂の高さと長さを測定する必要があります。従来の手動測定方法を使用すると、成長サイクルの短い時間枠でこれほど多くの小穂を正確に測定することは決して不可能です」と述べています。

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3Dスキャン技術のご紹介

タブス氏は写真測量法やその他の同様の高速データ取得方法について学びました。彼は、フィールド調査のために 3D スキャナーを自分で作ろうと計画していたほどです。その時、彼は偶然 Artec3D の公式サイトを訪れ、Artec Space Spider を発見しました。長年研究者に愛用されてきた、ハンドヘルド型の高精度 3D スキャナーです。彼はすぐに地元のディーラーに連絡し、現地でのデモンストレーションを手配しました。

△アーテックスペーススパイダー
Artec 3D のゴールド認定販売代理店である Digital Scan 3D の Richman 氏は、Space Spider スキャナーを持ってすぐに Tubbs 氏の自宅を訪れ、製品のデモンストレーションを行いました。彼らは協力して、Space Spider を使用していくつかのライグラス植物をスキャンしました。 Space Spider スキャナーは、最大 0.05 mm の精度と最大 0.1 mm の解像度を備えており、植物表面の詳細な情報を多数明らかにして、さらに分析することができます。ライグラスをスキャンするための安定した、簡単で繰り返し可能なプロセスを最終的に発見するまでに、2 回の試行が必要でした。

タブス氏は畑に足を踏み入れ、スキャンする必要のある植物を見つけた。それから、スキャンした背景を地面に広げました。次に、彼は小穂の先端を慎重に地面に向かって曲げ、Space Spider スキャナーを使用してスキャンしました。各植物のスキャンには 1 分もかかりません。

△Artec Studioでライグラスの穂をスキャンしたデータ当初、タブス氏は、幅が広くて柔らかく、地面に平らに置いてスキャン中に動かないようにできる紫色のゴム製スポーツテープをスキャンの背景として使用しました。実験を重ねた結果、タブスは、背景として硬い白黒の木の板を使うとより良い効果が得られることを発見しました。もちろん、面倒な場合は、背景として地面に新聞紙を敷くだけでも構いません。

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優れた精度を提供します

スペーススパイダースキャナーの精度を確認するために、タブス氏は定規を用意し、ニコン D5000 デジタル SLR カメラで写真を撮影しました。その後、ImageJ ソフトウェアを使用して写真を処理して、1 センチメートルごとに印を付けました。その後、タブス氏はスペーススパイダースキャナーを使用して定規をスキャンし、同じ処理を実行しました。

△写真測量精度とSpace Spider 3Dスキャン精度の比較

次にタブス氏は測定値をプロットし、2 つの方法の精度を視覚的に比較しました。グラフから、どちらの方法でもペレニアルライグラスの穂を正確に測定できることがわかります。写真測量の誤差は±1.72mm、Space Spiderスキャンの誤差は±0.09mmです。スキャナーは高い精度と安定性を示しました。

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スペーススパイダーのユニークな利点

Space Spider スキャナーを使用すると、タブス氏は 1 mm までの小穂を分析し、表面の凹凸や形状をすべて正確に測定し、非常に重要な脱穀ゾーンを含む各小穂の種子塊の構造情報を取得できます。この情報は、各植物の固有の表現型を分析するために重要です。

△ペレニアルライグラスの小穂。完璧を目指して、タブス氏は 3D スキャンデータを 3D Slicer にエクスポートしました。これは、ライグラスの穂の高解像度モデル上でスケルトン抽出を実行できる、画像解析および科学的視覚化のためのオープンソースソフトウェアです。タブス氏は 3D スライサーを使用して、各小穂を何千もの円形のスライスに「カット」します。

△ ライグラスの穂の骨格抽出を完了した後、タブス氏は 3 次元の小穂を ImageJ ソフトウェアにインポートし、各穂の正確な中心を特定しました。

最後に、各スライスの中心をつなげて、完全な小麦の穂を形成しました。「これにより、研究者は穂の長さ、小穂の構造、穂当たりの小穂の数、穂軸上の小穂の間隔、穂軸に対する小穂の角度、小穂の大きさなどの側面をさらに分析できるようになります」とタブス氏は述べた。

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制限のない繁殖

どの植物が望ましい特性を持っているかが判明すると、その植物は遺伝子レベルで研究され、他の植物と交配されます。研究者は、高品質のライグラスを最短時間で栽培できるほか、米、大麦、小麦、さまざまな果物や野菜など、さまざまな作物を栽培できます。これらの作物は害虫や干ばつに対して非常に耐性があり、農薬をほとんど必要としません。

しかし、タブス氏は「より丈夫な植物を育てたとしても、昆虫はすぐに適応できるため、これは終わりのない競争です。植物と害虫の間でこの戦いは何百万年も続いています。私たちは、植物が生き残り、繁栄するのに役立つ特性を特定することで、害虫に有利な状況を作りたいと考えています。ハイスループット表現型解析と Artec Space Spider は、この競争で私たちが先行するのに役立ちます」と述べています。

スキャナの使いやすさについて、タブス氏は次のようにコメントしています。「ライグラス植物をキャプチャするために使用したテクニックは習得が簡単でした。会議中に Artec Space Spider の使い方を他の人に教えることもあります。現場で作業するときには、他の研究者と共有できるさまざまなテクニックも使用しています。」

タブス氏はこの技術を改めて強調し、次のように述べた。「スペーススパイダーを使用したハイスループット表現型解析が農業の未来であることは間違いありません。育種家や農家は、現在および将来のニーズを満たす理想的な特性を持つ植物、つまり、新たな害虫や病気に耐性があり、変化する環境に最もよく適応した植物を迅速に選択できます。選択が速ければ速いほど、将来の課題にうまく備えることができます。」

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