Spain
April 2, 2019
A multidisciplinary team of plant biologists and engineers has developed a software that uses machine learning to measure plant root length accurately. Root analysis is essential in academic and agricultural research. The software, named MyRoot, saves researchers both labor and time and, in the future, it could be a useful tool in agriculture.
Researchers from the Centre for Research in Agricultural Genomics (CRAG) and La Salle-Ramon Llull University, both in Barcelona, Spain, have developed a software that, through image processing and machine learning, allows researchers to semi-automate the analysis of root growth of Arabidopsis thaliana seedlings growing directly in agar plates. The software, named MyRoot, has been made available to the research community free of charge. CRAG researchers have already saved significant labor and time using MyRoot. The high efficiency and accuracy offered by MyRoot has been demonstrated in an article that is recently published in The Plant Journal.
The root: a key element for the agriculture
The root, which is responsible for anchoring the plant to the soil, is an essential organ for overall plant growth and development. Roots provide the necessary structural and functional support for the incorporation of nutrients and water from the soil. Characterization of different root traits is therefore important not only for understanding organ growth, but also for evaluating the impact of roots in agriculture. At CRAG, the research group led by Ana I. Caño-Delgado studies steroid hormone signaling effects on root development, using the small model plant Arabidopsis thaliana. To do so, researchers at Caño-Delgado’s laboratory must measure the root length of a large number of arabidopsis seedlings holding different genetic modifications and exposed to different conditions. Thanks to these investigations, they recently discovered how to create drought resistant plants, without affecting their growth.
Isabel Betegón-Putze has spent three years doing her doctoral thesis at CRAG, and during this time she has spent many hours measuring arabidopsis roots with the photos she takes. "I had tried some semi-automatic analysis softwares but they were not accurate enough and were very difficult to use," explains Betegón-Putze. Her thesis director, Ana I. Caño-Delgado, proposed to collaborate with the engineer Xavier Sevillano, from the Research Group in Media Technologies at La Salle, to develop a new software that streamlined this process.
MyRoot: artificial intelligence to save time
Following Caño-Delgado’s indications, Isabel Betegón-Putze worked hand in hand with the computer engineer Alejandro González -from Sevillano’s team- to design a user-friendly software. "One of the strengths of MyRoot is that, apart from being very precise, it is very usable for the end user. For this, it has been key to include plant biologists like Isabel in the development process, taking into account their opinions and needs ", explains Alejandro González.
One of the challenges that the new software had to overcome was to replace a researcher trained in differentiating the stems from the roots in the small arabidopsis seedlings, since at this stage their appearance is very similar. To do it, the researchers used machine learning techniques, training the algorithm with seedlings of different ages and characteristics. "We have trained the system by exposing it to many different situations," explains Xavier Sevillano. "Thanks to the use of machine learning in MyRoot, the software is very accurate when measuring roots,” he adds.
In the article published in The Plant Journal, the CRAG and La Salle team compared the time needed for manual measurements with that of MyRoot, demonstrating that MyRoot reduces the time required to measure one plate by approximately half. MyRoot also give the most precise root length measurements when compared with similar softwares, suggesting that it could become widely used tool by the research community to perform high-throughput experiments in a less time-consuming manner.
The future: a tool at the service of agriculture
"We are very satisfied with the results obtained thanks to this collaboration with La Salle engineers, and we are already thinking of extending the project, taking it farther from the academic sphere", explains Ana I. Caño-Delgado. Actually, the researchers are already thinking of further automating this process by building a robot, which would limit even more the researcher intervention and would allow to analyse a large number of samples in a short time. "The next thing we want to do is to add hardware to the designed software," says Caño-Delgado. "If we also expand and train the software to be used with roots from different plant species, it could also be a very useful tool in the agricultural field," she adds.
Reference Article: : Isabel Betegón‐Putze, Alejandro González, Xavier Sevillano, David Blasco‐Escámez, Ana I. Caño‐Delgado. MyROOT: A method and software for the semi‐automatic measurement of primary root length in Arabidopsis seedlings. The Plant Journal(2019) https://doi.org/10.1111/tpj.14297
About the funding of the study: This project has received funding from the European Research Council (ERC)under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (Grant Agreement No 683163). The Project has also been financed by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness and Agencia Estatal de Investigación (MINECO/AEI) and Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), as well as by the Generalitat de Catalunya.
Intelligència artificial per mesurar arrels
- Un equip multidisciplinari del CRAG i de La Salle-URL ha desenvolupat un software que utilitza l'aprenentatge artificial per mesurar arrels de plantes de forma precisa
- L'anàlisi de l'arrel és essencial en la recerca acadèmica i l'aplicada l'agricultura
- El programari, anomenat MyRoot, estalvia molt temps als investigadors i en el futur pot ser una eina útil en agricultura
Un equip interdisciplinari del Centre de Recerca en Agrigenòmica (CRAG) i de La Salle-Universitat Ramon Llull ha desenvolupat un programari que, mitjançant processament d'imatges i aprenentatge artificial, permet als investigadors semi-automatitzar l'anàlisi de la longitud de l'arrel de petites plantes d'Arabidopsis thaliana. El programari, denominat MyRoot, s'ha posat a disposició de la comunitat investigadora perquè el puguin utilitzar gratuïtament. Als investigadors del CRAG, MyRoot ja els ha estalviat una gran quantitat de temps que abans dedicaven a mesurar arrels. L'elevada eficàcia i precisió de MyRoot s'ha analitzat en un article que es publica a la revista especialitzada The Plant Journal.
L'arrel: un element clau en l'agricultura
L'arrel és un òrgan essencial per al desenvolupament de la planta i el seu creixement. A més d'ancorar la planta a terra, l'arrel absorbeix l'aigua i els nutrients del sòl. Per això, poder-la analitzar és fonamental tant en la investigació acadèmica com en l'aplicada a l'agricultura. Al laboratori del CRAG dirigit per Ana I. Caño-Delgado estudien l'efecte de la senyalització per hormones esteroidees en el desenvolupament de l'arrel, utilitzant la petita planta model Arabidopsis thaliana. Per això, els investigadors han de mesurar la longitud de gran quantitat d'arrels de plàntules d'arabidopsis amb diferents alteracions genètiques i sotmeses a condicions diverses. Gràcies a aquestes investigacions, recentment van descobrir com crear plantes més resistents a la sequera sense afectar el seu creixement.
Isabel Betegón-Putze porta tres anys realitzant la seva tesi doctoral al CRAG, i en aquest temps ha passat moltes hores mesurant arrels d’arabidopsis en fotos. "Havia provat softwares d'anàlisi semiautomàtic però tots resultaven poc precisos o molt difícils d'utilitzar", explica Betegón-Putze. La seva directora de tesi, Ana I. Caño-Delgado, li va proposar que col·laboressin amb el grup de l'enginyer Xavier Sevillano del Grup de Recerca en Tecnologies Mèdia de La Salle-URL per desenvolupar ells mateixos un programari que agilitzés aquest procés.
MyRoot: intelligència artificial per estalviar temps
D'aquesta manera, Isabel Betegón-Putze va treballar colze a colze amb l'enginyer informàtic de l'equip de Sevillano, Alejandro González, per dissenyar un programari que fos amigable per a un usuari provinent del camp de la biologia. "Un dels punts forts de MyRoot és que, a part de ser molt precís, és molt usable per a l'usuari final. Per a això ha estat clau incloure a biòlegs de plantes com la Isabel en el procés de desenvolupament, tenint en compte les seves opinions i necessitats ", explica Alejandro González.
Un dels reptes que havia de salvar el nou programari era el substituir a un investigador entrenat en diferenciar la tija i l'arrel d'arabidopsis en petites plàntules de pocs dies crescudes in vitro, ja que en aquest estadi els dos tenen un aspecte molt similar. Per a això, l'equip del CRAG i La Salle va utilitzar tècniques de machine learning, entrenant a l'algoritme amb plàntules amb una varietat de mutacions, edats, etc. "El que hem fet és ensinistrar al sistema exposant-lo a moltes situacions diferents" explica Xavier Sevillano. "Gràcies a l'ús d'aprenentatge artificial a MyRoot, el programari és molt precís en mesurar arrels, i permet als seus usuaris utilitzar-lo amb un grau de confiança molt elevat", afegeix.
En l'article publicat a The Plant Journal, l'equip del CRAG i de La Salle demostra que utilitzant MyRoot s'obtenen els mateixos resultats que amb l'anàlisi manual, però invertint la meitat de temps. La comparació de MyRoot respecte a altres programaris disponibles apunta que, per la seva facilitat d'ús, precisió i temps invertit en les mesures, MyRoot podria convertir-se en una eina molt utilitzada pels investigadors acadèmics. MyRoot es pot descarregar i executar sense pagar cap llicència.
El futur: una eina al servei de l'agricultura
"Estem molt satisfets dels resultats obtinguts gràcies a aquesta col·laboració amb el grup de Xavier Sevillano de La Salle, i ja estem pensant en ampliar el projecte per portar-lo fora de l'àmbit estrictament acadèmic", explica Ana I. Caño-Delgado. I és que els investigadors ja estan pensant en automatitzar més aquest procés mitjançant la construcció d'un robot, que limiti molt la intervenció del propi investigador i que permeti analitzar una gran quantitat de mostres en poc temps. "El següent que volem fer és afegir hardware al software dissenyat" esmenta Caño-Delgado. "Si a més preparem i ampliem el software per a que funcioni amb arrels d'altres plantes, podrà ser una eina molt útil en l'àmbit agrari", afegeix.
Article de referència: Isabel Betegón‐Putze Alejandro González Xavier Sevillano David Blasco‐Escámez Ana I. Caño‐Delgado. MyROOT: A method and software for the semi‐automatic measurement of primary root length in Arabidopsis seedlings. The Plant Journal(2019) https://doi.org/10.1111/tpj.14297
Sobre el finançament de l’estudi: El treball realitzat al laboratori d’Ana I. Caño-Delgado ha estat finançat pel Consell Europeu de Recerca a través del projecte ERC-2015-CoG-GA683163, por fons del Ministeri d’Economia i Competitivitat i del Ministeri d’Educació, Cultura i Esport, per la Generalitat de Catalunya i pel Fons Europeu de Desenvolupament Regional (FEDER).
Species
