Desde el pronóstico del polen, el análisis de la miel y los cambios relacionados con el clima en las interacciones planta-polinizador, el análisis del polen juega un papel importante en muchas áreas de investigación. La microscopía sigue siendo el estándar de oro, pero requiere mucho tiempo y una experiencia considerable.En cooperación con Technische Universität TU Ilmenau, científicos del Centro Helmholtz de Investigación Ambiental UFZ y el Centro Alemán para la Investigación Integrativa de la Biodiversidad iDiv han desarrollado un método que les permite automatizar eficientemente el proceso de análisis de polen. Su estudioha sido publicado en la revista especializada Nuevo fitólogo .
El polen se produce en los estambres de una flor y consiste en una multitud de diminutos granos de polen, que contienen el material genético masculino de la planta necesario para su reproducción. Los granos de polen quedan atrapados en los diminutos pelos de los insectos que se alimentan de néctar cuando pasan yson transportados de flor en flor. Una vez allí, en el escenario ideal, un grano de polen se adherirá al estigma pegajoso de la misma especie de planta, lo que puede resultar en la fertilización ". Aunque los insectos polinizadores realizan este servicio de entrega de polen de forma totalmente incidental,su valor es inconmensurablemente alto, tanto ecológica como económicamente ", dice la Dra. Susanne Dunker, jefa del grupo de trabajo sobre citometría de flujo de imágenes en el Departamento de Diversidad Fisiológica de UFZ e iDiv." En el contexto del cambio climático y la pérdida acelerada deespecies, es particularmente importante para nosotros obtener una mejor comprensión de estas interacciones entre plantas y polinizadores ". El análisis de polen es una herramienta fundamental a este respecto.
Cada especie de planta tiene granos de polen de una forma, estructura superficial y tamaño característicos. Cuando se trata de identificar y contar granos de polen, que miden entre 10 y 180 micrómetros, en una muestra, la microscopía se ha considerado durante mucho tiempo el estándar de oro. Sin embargo, trabajar con un microscopio requiere una gran experiencia y requiere mucho tiempo. "Aunque ya se han propuesto varios enfoques para la automatización del análisis de polen, estos métodos no pueden diferenciar entre especies estrechamente relacionadas o no ofrecenhallazgos cuantitativos sobre la cantidad de granos de polen contenidos en una muestra ", continúa el biólogo de UFZ Dr. Dunker. Sin embargo, es precisamente esta información la que es fundamental para muchos temas de investigación, como la interacción entre plantas y polinizadores.
En su último estudio, Susanne Dunker y su equipo de investigadores han desarrollado un método novedoso para la automatización del análisis de polen. Con este fin, combinaron el alto rendimiento de la citometría de flujo de imágenes, una técnica utilizada para el análisis de partículas, con unaforma de inteligencia artificial IA conocida como aprendizaje profundo para diseñar una herramienta de análisis altamente eficiente, que permite identificar con precisión la especie y cuantificar los granos de polen contenidos en una muestra. La citometría de flujo de imágenes es un proceso que se utiliza principalmente enel campo médico para analizar las células sanguíneas, pero ahora también se está reutilizando para el análisis de polen. "Primero se agrega una muestra de polen para su examen a un líquido portador, que luego fluye a través de un canal que se vuelve cada vez más estrecho", dice Susanne Dunker, explicando el procedimiento. "El estrechamiento del canal hace que los granos de polen se separen y se alineen como si estuvieran en un collar de perlas, de modo que cada uno pase a través del microscopio incorporado eel elemento por sí solo y se pueden capturar imágenes de hasta 2000 granos de polen individuales por segundo ". Se toman dos imágenes microscópicas normales más diez imágenes microscópicas de fluorescencia por grano de polen.Cuando se excitan con luz irradiada en ciertas longitudes de onda por un láser, los propios granos de polen emiten luz."El área del espectro de color en la que el polen emite fluorescencia, y en qué ubicación precisa, es a veces muy específica. Esta información nos proporciona rasgos adicionales que pueden ayudar a identificar las especies de plantas individuales", informa Susanne Dunker.En el proceso de aprendizaje profundo, un algoritmo trabaja en pasos sucesivos para abstraer los píxeles originales de una imagen en un grado cada vez mayor para finalmente extraer las características específicas de la especie."Las imágenes microscópicas, las características de fluorescencia y el alto rendimiento nunca antes se habían utilizado en combinación para el análisis de polen; esta es una novedad absoluta".Cuando el análisis de una muestra relativamente sencilla toma, por ejemplo, cuatro horas bajo el microscopio, el nuevo proceso toma solo 20 minutos.Por lo tanto, UFZ ha solicitado una patente para el novedoso método de análisis de alto rendimiento, y su inventora, Susanne Dunker, recibió el Premio de Transferencia de Tecnología UFZ en 2019.
Las muestras de polen examinadas en el estudio provienen de 35 especies de plantas de pradera, que incluyen milenrama, salvia, tomillo y varias especies de trébol como el trébol blanco, de montaña y rojo. En total, los investigadores prepararon alrededor de 430.000 imágenes, que formaron elbase para un conjunto de datos. En cooperación con TU Ilmenau, este conjunto de datos se transfirió luego mediante aprendizaje profundo a una herramienta altamente eficiente para la identificación del polen. En análisis posteriores, los investigadores probaron la precisión de su nuevo método, comparando muestras de polen desconocidas del35 especies de plantas en comparación con el conjunto de datos. "El resultado fue más que satisfactorio: el nivel de precisión fue del 96%", dice Susanne Dunker. Incluso las especies que son difíciles de distinguir entre sí, y de hecho presentan a los expertos un desafío enel microscopio, se pudo identificar de manera confiable. Por lo tanto, el nuevo método no solo es extremadamente rápido sino también muy preciso.
En el futuro, el nuevo proceso para el análisis de polen automatizado desempeñará un papel clave para responder preguntas críticas de investigación sobre las interacciones entre plantas y polinizadores. ¿Qué importancia tienen ciertos polinizadores como abejas, moscas y abejorros para determinadas especies de plantas?consecuencias de perder una especie de insecto polinizador o una planta? "Ahora podemos evaluar muestras de polen a gran escala, tanto cualitativamente como, al mismo tiempo, cuantitativamente. Estamos ampliando constantemente nuestro conjunto de datos de polen de insectos polinizadosplantas para ese propósito ", comenta Susanne Dunker. Su objetivo es ampliar el conjunto de datos para incluir al menos esas 500 especies de plantas cuyo polen es importante como fuente de alimento para las abejas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro Helmholtz de Investigación Ambiental - UFZ . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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