Un nouveau modèle d’imagerie 3D pourrait montrer la voie vers des plantes plus économes en eau

Selon les chercheurs, un nouveau pipeline informatique pour analyser les données d’imagerie tridimensionnelle peut aider les biologistes à voir plus précisément et plus rapidement comment les cellules des feuilles d’une plante réagissent à l’environnement et à identifier les plantes qui utilisent l’eau plus efficacement.

Une équipe d’informaticiens et de biologistes de Penn State a développé un modèle d’imagerie 3D pour étudier comment de minuscules structures appelées cellules de garde stomatiques, impliquées dans la photosynthèse et la transpiration des plantes, interagissent avec les cellules voisines lorsqu’elles subissent des changements physiques.

Le modèle est plus efficace et précis que les méthodes existantes d’analyse de la géométrie et de la mécanique cellulaires, et les chercheurs ont découvert que les cellules de garde se comportaient de manière inattendue. La recherche aidera les biologistes à mener des expériences plus efficacement et à identifier les plantes, y compris les cultures agricoles importantes, qui peuvent mieux s’adapter au changement climatique.

« Actuellement, il faut cinq à huit heures aux experts pour étiqueter manuellement uniquement les cellules de garde dans un seul ensemble d’images 3D », a déclaré Dolzodmaa Davaasuren, doctorante au Penn State’s College of Information Sciences and Technology qui a dirigé le développement du pipeline. « Notre équipe voulait automatiser les processus afin que nous puissions étudier plus d’images. »

Les chercheurs ont construit et testé leur pipeline à l’aide de la plante modèle Arabidopsis thaliana, communément appelée cresson. Ils ont utilisé un microscope confocal spécialisé pour prendre des images 3D des cellules de garde sur les feuilles de la plante. Les cellules de garde entourent les pores stomatiques et régulent la quantité de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau qui passe à travers les pores. L’équipe a recueilli des images avant et après l’ablation, ou à l’aide d’un faisceau laser pour percer des trous dans les cellules voisines qui touchaient les cellules de garde pour voir comment le volume stomatique changeait.

Les scientifiques ont utilisé le modèle de segmentation 3D U-Net comme base pour leur modèle, qu’ils ont appelé 3D CellNet, et ont ajouté un encodeur qui préserve mieux les informations spatiales. Ils ont également ajouté un module d’attention, qui indique au modèle de se concentrer sur des parties spécifiques de l’image 3D. Dans ce cas, ils ont dit au module de se concentrer sur les minuscules cellules de garde. Les chercheurs n’ont utilisé que cinq images 3D étiquetées manuellement pour former leur modèle. D’autres étapes de traitement d’image ont été prises dans le pipeline pour mesurer les formes des cellules de garde.

L’équipe a constaté que leur nouveau pipeline marquait les images et mesurait les volumes de cellules plus rapidement et plus précisément que les biologistes cellulaires formés. Ils ont également constaté que la segmentation 3D CellNet était plus performante que le modèle de base sur lequel elle a été construite, plus deux modèles 2D supplémentaires. Ils ont rapporté leurs découvertes dans le journal Motifs.

« D’un point de vue informatique, c’est la première fois que nous sommes en mesure d’utiliser une machine entraînée avec un nombre limité d’exemples étiquetés pour obtenir une segmentation d’images 3D très précise dans une situation aussi exigeante », a déclaré James Wang, éminent professeur d’information. sciences et technologie et co-auteur de l’étude.

« Si vous pensez à l’imagerie médicale, même s’ils ont des problèmes 3D similaires, ils n’ont pas le défi de regarder plus profondément dans un échantillon où l’imagerie devient plus floue à cause de la diffusion de la lumière. Plus vous allez loin, plus vous obtenez de diffusion de la lumière. , et la quantité de diffusion de la lumière n’est pas bien définie. C’est un défi technique que nous devons relever, et notre recherche est l’une des premières étapes pour résoudre le problème avec succès.

En utilisant ce nouveau pipeline pour segmenter et mesurer le volume cellulaire après l’ablation, l’équipe a découvert que les cellules de garde répondaient aux stimuli externes différemment que prévu. Les chercheurs pensaient que le volume des cellules de garde augmenterait et provoquerait l’ouverture des pores s’ils diminuaient la pression à côté des cellules de garde en enlevant les cellules voisines adjacentes. Au lieu de cela, les chercheurs ont observé peu de changement.

Cependant, lorsqu’ils ont enlevé les cellules voisines en haut et en bas de chaque paire de cellules de garde qui sont censées empêcher l’allongement du complexe stomatique, forçant ainsi les cellules de garde à se séparer lorsqu’elles se dilatent et ouvrent le pore stomatique, ils ont constaté que le volume des cellules de garde augmentait de manière mesurable. .

« Les cellules voisines imposent des contraintes mécaniques aux cellules de garde, mais elles le font d’une manière complètement inattendue et pourrait être quelque peu indépendante de l’état de l’eau de ces cellules voisines », a déclaré Charles Anderson, professeur agrégé de biologie et d’étude. coauteur. « Nous aimerions approfondir cette question pour comprendre ce qui se passe au niveau biomécanique qui permet aux plantes de réagir à la sécheresse en fermant efficacement leurs stomates et en les gardant fermées.

« L’un des aspects les plus excitants de l’article est qu’il s’agit vraiment d’un tour de force en termes d’informatique – développer un nouvel algorithme qui surpasse les algorithmes existants pour mesurer les volumes 3D des cellules – et qu’il applique immédiatement cette avancée pour aider répondre à l’importante question biologique de savoir comment les pores stomatiques, qui alimentent la photosynthèse et le transport de l’eau dans les plantes, fonctionnent vraiment. »

Des outils comme 3D CellNet peuvent aider les biologistes à mieux comprendre comment les cellules de garde et les stomates réagissent aux stimuli externes, ce qui est important pour répondre aux problèmes de sécurité alimentaire face à une population mondiale croissante et au changement climatique, a déclaré Anderson.