KR20230121112A - 화학 물질 선별 방법 - Google Patents
화학 물질 선별 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230121112A KR20230121112A KR1020237023821A KR20237023821A KR20230121112A KR 20230121112 A KR20230121112 A KR 20230121112A KR 1020237023821 A KR1020237023821 A KR 1020237023821A KR 20237023821 A KR20237023821 A KR 20237023821A KR 20230121112 A KR20230121112 A KR 20230121112A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- soa
- moa
- vegetable material
- data
- data set
- Prior art date
Links
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 116
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 92
- 239000005418 vegetable material Substances 0.000 claims abstract description 89
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 80
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims abstract description 43
- 238000012216 screening Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000013558 reference substance Substances 0.000 claims abstract description 5
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 claims description 115
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 17
- 229930002875 chlorophyll Natural products 0.000 claims description 10
- 235000019804 chlorophyll Nutrition 0.000 claims description 10
- ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M chlorophyll a Chemical compound C1([C@@H](C(=O)OC)C(=O)C2=C3C)=C2N2C3=CC(C(CC)=C3C)=[N+]4C3=CC3=C(C=C)C(C)=C5N3[Mg-2]42[N+]2=C1[C@@H](CCC(=O)OC\C=C(/C)CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)[C@H](C)C2=C5 ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M 0.000 claims description 10
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 claims description 10
- 241000219195 Arabidopsis thaliana Species 0.000 claims description 5
- 239000005648 plant growth regulator Substances 0.000 claims description 4
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 25
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 18
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 17
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 17
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 16
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 14
- 230000008635 plant growth Effects 0.000 description 10
- 238000012706 support-vector machine Methods 0.000 description 10
- 238000011161 development Methods 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 description 7
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 7
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 7
- 102100028626 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase Human genes 0.000 description 6
- 108010068327 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase Proteins 0.000 description 6
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 108010060806 Photosystem II Protein Complex Proteins 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 6
- 238000012549 training Methods 0.000 description 6
- 230000003698 anagen phase Effects 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 5
- 239000004009 herbicide Substances 0.000 description 5
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 description 5
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 4
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 4
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 4
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 4
- 235000015440 Berlandiera lyrata Nutrition 0.000 description 3
- 241000831576 Chlorophthalmus acutifrons Species 0.000 description 3
- 241000593989 Scardinius erythrophthalmus Species 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000013145 classification model Methods 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 3
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 3
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 3
- 108010001545 phytoene dehydrogenase Proteins 0.000 description 3
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000013517 stratification Methods 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 150000004669 very long chain fatty acids Chemical class 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 108010068049 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase Proteins 0.000 description 2
- PXFBZOLANLWPMH-UHFFFAOYSA-N 16-Epiaffinine Natural products C1C(C2=CC=CC=C2N2)=C2C(=O)CC2C(=CC)CN(C)C1C2CO PXFBZOLANLWPMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002794 2,4-DB Substances 0.000 description 2
- 108010000700 Acetolactate synthase Proteins 0.000 description 2
- 102000000452 Acetyl-CoA carboxylase Human genes 0.000 description 2
- 108010016219 Acetyl-CoA carboxylase Proteins 0.000 description 2
- 229930192334 Auxin Natural products 0.000 description 2
- 108010018763 Biotin carboxylase Proteins 0.000 description 2
- 108030006708 Homogentisate solanesyltransferases Proteins 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 244000042664 Matricaria chamomilla Species 0.000 description 2
- 108020001991 Protoporphyrinogen Oxidase Proteins 0.000 description 2
- 102000005135 Protoporphyrinogen oxidase Human genes 0.000 description 2
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 description 2
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 description 2
- 239000005618 Sulcotrione Substances 0.000 description 2
- 230000036579 abiotic stress Effects 0.000 description 2
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 2
- 239000002363 auxin Substances 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 108010060155 deoxyxylulose-5-phosphate synthase Proteins 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 230000002363 herbicidal effect Effects 0.000 description 2
- 238000013537 high throughput screening Methods 0.000 description 2
- 238000003711 image thresholding Methods 0.000 description 2
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- NVGOPFQZYCNLDU-UHFFFAOYSA-N norflurazon Chemical compound O=C1C(Cl)=C(NC)C=NN1C1=CC=CC(C(F)(F)F)=C1 NVGOPFQZYCNLDU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000009120 phenotypic response Effects 0.000 description 2
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 230000014284 seed dormancy process Effects 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000011550 stock solution Substances 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 description 2
- PQTBTIFWAXVEPB-UHFFFAOYSA-N sulcotrione Chemical compound ClC1=CC(S(=O)(=O)C)=CC=C1C(=O)C1C(=O)CCCC1=O PQTBTIFWAXVEPB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000002211 ultraviolet spectrum Methods 0.000 description 2
- 235000013311 vegetables Nutrition 0.000 description 2
- YVLPJIGOMTXXLP-UUKUAVTLSA-N 15,15'-cis-Phytoene Natural products C(=C\C=C/C=C(\CC/C=C(\CC/C=C(\CC/C=C(\C)/C)/C)/C)/C)(\CC/C=C(\CC/C=C(\CC/C=C(\C)/C)/C)/C)/C YVLPJIGOMTXXLP-UUKUAVTLSA-N 0.000 description 1
- YVLPJIGOMTXXLP-BAHRDPFUSA-N 15Z-phytoene Natural products CC(=CCCC(=CCCC(=CCCC(=CC=C/C=C(C)/CCC=C(/C)CCC=C(/C)CCC=C(C)C)C)C)C)C YVLPJIGOMTXXLP-BAHRDPFUSA-N 0.000 description 1
- LULAYUGMBFYYEX-UHFFFAOYSA-N 3-chlorobenzoic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC=CC(Cl)=C1 LULAYUGMBFYYEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001817 Agar Polymers 0.000 description 1
- 241000219194 Arabidopsis Species 0.000 description 1
- 244000075850 Avena orientalis Species 0.000 description 1
- 235000007319 Avena orientalis Nutrition 0.000 description 1
- 239000005504 Dicamba Substances 0.000 description 1
- 238000005079 FT-Raman Methods 0.000 description 1
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 241000209499 Lemna Species 0.000 description 1
- 241000209510 Liliopsida Species 0.000 description 1
- 235000007232 Matricaria chamomilla Nutrition 0.000 description 1
- 235000004429 Matricaria chamomilla var recutita Nutrition 0.000 description 1
- 239000005578 Mesotrione Substances 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 239000005596 Picolinafen Substances 0.000 description 1
- 244000292693 Poa annua Species 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 102000005488 Thioesterase Human genes 0.000 description 1
- 241000607479 Yersinia pestis Species 0.000 description 1
- 239000008272 agar Substances 0.000 description 1
- YVLPJIGOMTXXLP-UHFFFAOYSA-N all-trans-Phytoen Natural products CC(C)=CCCC(C)=CCCC(C)=CCCC(C)=CC=CC=C(C)CCC=C(C)CCC=C(C)CCC=C(C)C YVLPJIGOMTXXLP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000004790 biotic stress Effects 0.000 description 1
- 230000033077 cellular process Effects 0.000 description 1
- 150000005829 chemical entities Chemical class 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000010224 classification analysis Methods 0.000 description 1
- 238000002790 cross-validation Methods 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 238000013135 deep learning Methods 0.000 description 1
- IWEDIXLBFLAXBO-UHFFFAOYSA-N dicamba Chemical compound COC1=C(Cl)C=CC(Cl)=C1C(O)=O IWEDIXLBFLAXBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000014113 dietary fatty acids Nutrition 0.000 description 1
- 230000024346 drought recovery Effects 0.000 description 1
- 239000003974 emollient agent Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 241001233957 eudicotyledons Species 0.000 description 1
- 229930195729 fatty acid Natural products 0.000 description 1
- 239000000194 fatty acid Substances 0.000 description 1
- 150000004665 fatty acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 238000005194 fractionation Methods 0.000 description 1
- 230000000855 fungicidal effect Effects 0.000 description 1
- 239000000417 fungicide Substances 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 238000003702 image correction Methods 0.000 description 1
- 238000010921 in-depth analysis Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- SEOVTRFCIGRIMH-UHFFFAOYSA-N indole-3-acetic acid Chemical compound C1=CC=C2C(CC(=O)O)=CNC2=C1 SEOVTRFCIGRIMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002917 insecticide Substances 0.000 description 1
- 238000012332 laboratory investigation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 210000001161 mammalian embryo Anatomy 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- KPUREKXXPHOJQT-UHFFFAOYSA-N mesotrione Chemical compound [O-][N+](=O)C1=CC(S(=O)(=O)C)=CC=C1C(=O)C1C(=O)CCCC1=O KPUREKXXPHOJQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002207 metabolite Substances 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 235000021049 nutrient content Nutrition 0.000 description 1
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 1
- 238000013450 outlier detection Methods 0.000 description 1
- 230000035790 physiological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 235000011765 phytoene Nutrition 0.000 description 1
- 229930000184 phytotoxin Natural products 0.000 description 1
- CWKFPEBMTGKLKX-UHFFFAOYSA-N picolinafen Chemical compound C1=CC(F)=CC=C1NC(=O)C1=CC=CC(OC=2C=C(C=CC=2)C(F)(F)F)=N1 CWKFPEBMTGKLKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008121 plant development Effects 0.000 description 1
- 239000003375 plant hormone Substances 0.000 description 1
- 244000000003 plant pathogen Species 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 230000004952 protein activity Effects 0.000 description 1
- 238000007637 random forest analysis Methods 0.000 description 1
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 1
- 230000001850 reproductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000010187 selection method Methods 0.000 description 1
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 108020002982 thioesterase Proteins 0.000 description 1
- IYMLUHWAJFXAQP-UHFFFAOYSA-N topramezone Chemical compound CC1=C(C(=O)C2=C(N(C)N=C2)O)C=CC(S(C)(=O)=O)=C1C1=NOCC1 IYMLUHWAJFXAQP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 1
- 230000009105 vegetative growth Effects 0.000 description 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/5097—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving plant cells
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2333/00—Assays involving biological materials from specific organisms or of a specific nature
- G01N2333/415—Assays involving biological materials from specific organisms or of a specific nature from plants
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Hematology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Botany (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Abstract
본 발명은 하기 프로세스 단계를 포함하는, 식물성 소재의 처리에 의한 적어도 하나의 화학 물질의 선별 방법에 관한 것이다: a) 상기 식물성 소재를 공동에 도포하는 단계; b) 식물성 소재를 화학 물질로 처리하는 단계; c) 화학 물질로 처리한 후 식물성 소재의 적어도 하나의 표현형적 특성을 나타내는 적어도 하나의 데이터 세트를 생성하는 단계; 및 d) 알려진 작용 사이트(SoA) 및/또는 작용 모드(MoA) 중 적어도 하나의 기준 물질에 의해 처리된 적어도 하나의 식물성 소재의 표현형적 특성들 사이의 의존성들에 관한 데이터를 포함하는 SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐을 사용함으로써, 데이터 세트에 기초하여 화학 물질을 다수의 저장된 SoA 및/또는 MoA 중 적어도 하나의 SoA 및/또는 적어도 하나의 MoA에 할당하는 단계를 포함하는, 방법.
Description
본 발명은 식물성 소재의 처리를 위한 적어도 하나의 화학 물질의 선별 방법에 관한 것이다.
화학 물질이 식물성 소재에 미치는 영향에 관한 화학 물질의 집중 선별은 일반적으로 식물 처리에 사용되는 화학 물질의 개발 과정 중에 이루어진다. 식물의 성공적인 처리를 위해서는 특정 화학 물질이 식물에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 깊이 있는 지식이 필수적이다. 화학 물질이 해충 제거제, 예를 들어 제초제, 살진균제 또는 살충제인 경우, 저항성의 출현을 피하는 것이 매우 중요하다: 상이한 화학 물질들이 식물성 소재 상에서 동일한 작용 부위(SoA) 및/또는 작용 모드(MoA)를 공유할 수 있다. 반복적으로 동일한 화학 물질을 사용하거나 또는 예를 들어 제초제의 형태로, 동일한 SoA 및/또는 MoA를 공유하는 상이한 화학 물질을 사용하는 것은 저항을 초래할 수 있다. 이를 회피하기 위해서는 화학 물질이 시장에 진입하기 전에 집중적으로 조사되는 것이 바람직하다.
농업 식물에 사용되는 화학 물질의 평가는 예를 들어 EP 1 777 486 B1에 나타낸 바와 같이, 경작지 조건 또는 온실에서 종종 수행된다. 이러한 종류의 선별은 여러 단점, 예를 들어 상이한 시험들 사이에 일관되지 않은 기후 조건의 지배가 있다. 기온이나 강우량의 차이는 현장 조사 결과에 영향을 미칠 수 있으며, 결과적으로 자료의 비교 가능성을 악화시킨다. 경작지 환경이나 온실에서 이루어지는 조사의 또 다른 단점은 방대한 공간의 요구와 식물의 재배시간이 오래 걸린다는 점이다. 두 요인 모두 이러한 화학 물질의 평가에 상당한 비용을 초래하게 된다. 예를 들어, 동물에 의해 야기된 손상 또는 식물 병원균에 대한 노출(이러한 상황하에서 식물을 보호하기는 어려움)과 같은 추가의 교란 변수는 추가의 통계적 처리에 적합한 정확한 데이터의 수집을 손상시킨다.
실험실 선별검사는, 경작지나 온실 수준의 조사에 비해, 시간 소모가 적고 표준화된 생육 조건을 제공한다. 정량적, 반-자동화 표현형 분석을 위한 여러 방법이 존재하며, 예를 들어 WO 2019/152424 A1에 기재된 바와 같은 영상화 시스템이 존재한다. 그러나 이러한 영상화 시스템은 정확하고 높은 처리량의 데이터 획득뿐만 아니라 균일하고 표준화된 데이터 분석이 없으며, 이는 획득된 데이터 내의 변동을 초래한다. 그 결과, 이들 방법은 많은 수의 도포 화학 물질의 정밀한 평가에는 적합하지 않다.
WO 2010/026218 A1은 식물성 소재의 처리를 위한 화학 물질의 파괴적 선별 방법을 보여준다. 이 방법에서, 식물성 소재를 균질화하고 가용화시켜 원위치에서 적외선 스펙트럼(IR, FT-IR, 라만, FT-라만 및 근적외선(NIR))을 기록하기 위해 접근 가능하게 한다. 이러한 방식으로 제조된 샘플은 개별 식물, 식물의 부위(기관)에 대한 특정 결과를 얻거나, 일정 기간에 걸쳐 동일한 식물성 소재에 대한 물질의 영향을 측정하는 데 사용될 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 실험실 조건하에서 화학 물질의 신속하고, 비용 효율적이며, 일관되고 재현 가능한 선별을 가능하게 하는, 고-처리량 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 방법에 의해 달성된다. 유리한 구현예들 및 개발들은 종속항들의 목적이다.
본 발명은 식물성 소재의 처리에 의한 적어도 하나의 화학물질의 선별 방법을 제공한다. 이러한 맥락에서 식물성 소재는 식물의 일부(예를 들어 뿌리 또는 잎), 또는 바람직하게는 전체 식물을 포함할 수 있다. 전체 식물의 성장 스타디움(stadium)은 식물 수명 주기의 모든 단계, 예를 들어 발아되지 않은 또는 발아된 종자, 묘목 스타디움뿐만 아니라 식물의 상이한 발달 또는 생식 단계를 포함할 수 있다. 상기 식물성 소재는 단자엽 또는 쌍자엽 식물 종(단자엽 및 쌍자엽)에 속하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 차례로 수행되는 몇몇 상이한 단계들을 포함한다:
제1 단계(단계 a)에서, 식물성 소재가 공동 내로 도포된다. 공동은, 이러한 맥락에서, 함몰부위를 포함하는 표면으로서 정의된다. 하지만, 이러한 목적을 위해 어떠한 함몰부위 없는 플레이트, 예를 들면 현미경법에 통상적으로 사용되는 대물 운반체를 사용하는 것도 가능하다.
바람직한 구현예에서, 식물성 소재는 다수의 유익한 특성을 갖는 기재 상에 놓인다: 공동 내부의 기재는 그의 구성을 안정화시킴으로써 식물성 소재를 고정하고/하거나 보존하고/하거나 영양분 함량을 전달할 수 있다. 이러한 방식으로, 식물성 소재는 여전히 성장 가능한 경우에 발달 및 성장할 수 있는 환경에 놓인다. 기재는 고체 또는 액체 성질일 수 있다. 본 발명의 또 다른 구현예에서, 공동은 임의의 기재 없이 사용된다.
식물성 소재는 바람직하게는 표현형 반응의 재현성을 보장하고 원하는 처리량을 달성하기 위해 표준화된 성장 조건 하에서 성장된다. 추가의 성장 조건은 특정 SoA 및/또는 MoA를 갖는 물질의 표현형 반응을 향상시키는 역할을 하며, 이는 표준 성장 조건 하에서 식물성 소재에 미미한 영향을 미치거나 전혀 영향을 미치지 않는다. 예를 들어, 식물성 소재는 성장 요법의 추가 파라미터로서 상이한 스트레서에 노출될 수 있다. 표준, 즉, '비-스트레스' 성장 조건 하에서 성장된 식물성 소재는 특정 화학 물질로 처리 후, 예를 들어, 비생물적 스트레스 조건에 노출된 식물성 소재과는 상이한 표현형 발달을 나타낼 수 있다. 상이한 성장 조건 및 스트레서의 포함은 화학 물질을 하나 이상의 SoA 및/또는 MoA에 신뢰성 있게 할당하는 것뿐만 아니라, 경작지 또는 온실 조건 하에서 더 큰 규모로 화학 물질의 적절한 사용을 위한 권장 사항을 개발하는 데 도움이 될 수 있다. 식물성 소재의 고도로 표준화된 예비성장은 본 발명에 따른 방법의 수행을 위해 의무적이지 않지만, 데이터 세트의 적절한 비교가능성을 얻는 것이 유리하다. 다른 구현예에서, 용이하게 예비성장된 식물, 식물의 일부 또는 발아되지 않은 종자를 사용하는 것 역시 가능하다.
제2 단계(단계 b)에서는, 식물성 소재가 상기 화학 물질로 처리된다. 식물성 소재를 처리하는 데 상이한 유형의 도포가 사용될 수 있다. 하나의 가능한 도포는 성장 배지의 상부에 화학 물질을 피펫팅하는 것이고, 다른 가능성은 식물성 소재를 함유하는 공동에 화학 물질을 에어로졸 분무함으로써 잎 도포(folier application)하는 것이다. 도포 유형은 분석될 화학 물질에 따라 또는 특정 표적 위치에 의해 선택될 수 있다: 분무된 화학 물질은 식물의 대기 영역, 예를 들어 배아 또는 참잎에 의해 우선적으로 흡수될 수 있는 반면, 피펫팅된 화학 물질은 주로 성장 배지를 통해 식물의 뿌리계에 의해 흡수된다. 도포 유형은 식물성 소재 유형, 예를 들어 단자엽 식물 및 쌍자엽 식물에 최적화된 화학 물질의 제형에 따라 조정될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 화학 물질은 식물성 소재가 공동 내에 도포될 때 공동 내에 이미 존재할 수 있다.
제3 단계(단계 c)에서, 화학 물질로 처리 후 식물성 소재의 적어도 하나의 표현형적 특성을 포착하는 적어도 하나의 데이터 세트가 생성된다. 이 데이터 세트는 식물성 소재에 대한 화학 물질의 효과를 포착하기 때문에, 화학 물질의 추가 조사를 위한 기초이다.
제4 단계(단계 d)에서, 화학 물질은, 단계 c에서 생성된 데이터 세트에 기초하여, 알려진 SoA 및/또는 MoA의 적어도 하나의 기준 물질에 의해 처리된 적어도 하나의 식물성 소재의 표현형 특성들 사이의 의존성들에 관한 데이터 세트들을 함유한 사전에 획득된 SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐을 사용함으로써 다수의 저장된 SoA 및/또는 MoA 중 적어도 하나의 SoA 및/또는 적어도 하나의 MoA에 할당된다. 정보의 간결한 집합체인 컴펜듐은 선별된 화학 물질에 의해 유도된 표현형 특성들을 특정 SoA 및/또는 MoA에 일치시키고 할당하기 위한 기준으로서 작용한다: 선별된 화학 물질의 데이터 세트가 컴펜듐에 저장된 하나 이상의 데이터 세트와 매칭되면, 이 특정 화학 물질은 이어서 동일한 SoA 및/또는 MoA(SoA 및/또는 MoA 분류)에 할당될 수 있다.
MoA는 이러한 맥락에서 화학 물질이 식물성 소재에 미치는 영향으로서 정의된다. 식물성 소재의 임의의 분자 표적과 화학 물질의 각각의 단일 상호작용은 이 용어 하에 포섭되어, 흡수로부터 시작하여 화학 물질에 대한 식물성 소재의 반응으로 종료되는, 변경되거나 교란된 생리학적 프로세스을 초래한다. SoA는 특히, 도포된 화학 물질이 어떤 생물학적 수단에 의해 그것의 표현형 효과를 나타내는 특정 생화학적 상호작용을 기술한다. 이는 단백질 활성 및/또는 세포 과정 및/또는 구조의 조절일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 하나의 MoA는 하나 이상의 SoA에 의해 야기될 수 있다. 예를 들어, 식물 성장에 영향을 미치는 하나의 MoA는 매우 긴 사슬 지방산(VLCFA) 생합성이다. 이러한 MoA를 담당하는 다중 SoA가 존재하고, 예를 들어 VLCFA-합성효소 또는 VLCFA-엘론가제 억제제일 수 있다. 예시된 두 가지 SoA는 모두 동일한 MoA를 유도하지만, 식물성 소재 내에서 상이한 합성 프로세스에 영향을 미친다.
여러 농약적으로 관련된 제초제의 경우, 여러 저항성 잡초 종들이 오늘날까지 출현했다. 화학 물질의 SoA 및/또는 MoA를 식별함으로써, 이들 화학 물질을 분류할 수 있고, 동시에 저항 방지를 위한 회피 전략을 개발할 수 있다: 신규한 SoA 및/또는 MoA를 다루는 화학 물질은 이미 존재하는 당업계의 저항을 극복할 잠재력을 갖는다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 데이터 세트는 센서부를 사용하여 획득된다. 센서부는 식물성 소재의 표현형적 특성에 관한 데이터 세트를 얻는 데 사용된다.
또 다른 구현예에 따르면, 센서부는 비파괴 및 비침입 방식으로 데이터 세트를 획득하는 데 사용된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 센서부는 다음의 디지털 센서들 중 적어도 하나를 포함한다: 초분광 VIS(가시광선), 초분광 NIR(근적외선), 초분광 UV(자외선), 엽록소 형광 및 RGB 센서. 센서부는 또한 전술한 센서들의 조합 또는 추가적인 다른 센서들을 포함할 수 있다. 초분광 영상화 센서는 식물성 소재의 분자 조성(예를 들어, 물 함량, 세포 밀도, 안료 조성) 및 가시광선 또는 자외선, 또는 (근적외선) 적외선 스펙트럼에서의 변화를 모니터링하는 데 특히 유용하며, 따라서 SoA 및/또는 MoA를 나타낸다.
센서부는 상기 가시광 스펙트럼의 영상화 데이터를 획득하기 위한 초분광 VIS 카메라를 포함할 수 있다. 이러한 광 스펙트럼은 예를 들어 화학 물질의 도포에 의해 유도되는 식물성 소재의 안료 함량의 변화를 검출하는 데 도움이 될 수 있다.
센서부는 근적외선 광 스펙트럼의 영상화 데이터를 획득하기 위한 초분광 NIR 카메라를 포함할 수 있다. 이러한 광 스펙트럼은, 예를 들어 화학 물질에 의해 유도된 식물성 소재의 수분 함량의 변화를 검출하는 데 도움이 될 수 있다.
센서부는 UV 스펙트럼의 영상화를 위한 초분광 UV 카메라를 포함할 수 있다. 이 센서의 사용에 의해 촬영된 이미지는 UV 스펙트럼에서 흡수하는 대사 산물, 예를 들어 식물성 소재 중 아미노산의 분자 조성의 변화를 모니터링하는 것을 도울 수 있다.
센서부는 식물 스트레스 감지 및 식물성 소재의 광화학계에 미치는 영향을 포착하는 엽록소 형광 측정 시스템을 포함할 수 있다. 엽록소 형광 측정 시스템은, 예를 들어, 공동이 배치되는 광합성 반응을 구동하기에 적합한 광을 방출하는 고밀도 LED 패널 및 카메라를 포함할 수 있다.
센서부는, 예를 들어, 식물성 소재의 색 분류 분석을 수행하고/하거나 성장을 모니터링하기 위해 식물성 소재의 디지털 사진을 포착하는 RGB 카메라를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 원형 배열의 램프 및 반사면을 갖는 광원이 초분광 VIS 및 초분광 NIR 센서가 식물성 소재를 균질하게 조명하도록 사용된다. 바람직한 구현예에서, 광원은 6개의 원형 배열된 할로겐 램프들 및 광을 직접 반사하고, (센서부가 식물성 소재의 측정치들을 포착하는) 다중-웰 플레이트에 대한 중앙의 구멍을 통해 반사성이 높은 거칠어진 알루미늄 표면을 포함한다. 이는 초분광 VIS 및 초분광 NIR 센서와의 영상화를 통해 데이터 세트를 획득하면서 식물성 소재의 균질한 조명을 보장한다. 식물성 소재의 균질 조명은 고품질 이미지를 생성하고 불균일한 조명으로 인한 오류를 방지하는 데 도움이 된다. 고품질의 데이터 세트는 추가 처리를 용이하게 하고 데이터 세트의 평가의 정확도를 증가시킨다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 공동은 다중-웰 플레이트의 웰이다. 다중-웰 플레이트는 실험실 상황 하에서 사용하기 위한 여러 개의 웰을 포함하는 플레이트이다. 바람직한 구현예에서, 다중-웰 플레이트는 96개의 단일 웰을 포함한다. 이러한 종류의 다중-웰 플레이트가 실험실에서 흔히 사용된다. 12개의 단일 웰이 일렬로 정렬되어 있고, 8개의 컬럼이 96웰 플레이트에 존재하여, 다중-웰 플레이트의 수득된 데이터 세트를 각각의 웰에 대한 (각각의 웰 내부에 식물성 소재가 각각 도포됨) 개별 데이터 세트로 하위분할하는 것을 더 단순화하는 규정된 공간 배열을 야기한다. 96 웰 플레이트의 사용은, 디지털 데이터 획득을 위해 기록된 정보, 즉, 화상 요소 또는 픽셀의 양과 관련된, 식물성 소재의 크기와 이 방법에 대한 달성 가능한 처리량과 관련된 식물 성장에 필요한 시간 사이에 양호한 균형을 제공한다. 다른 다중-웰 플레이트, 예를 들어 SBS(Society for Biomolecular Sciences)에 따른 표준화된 다중-웰 플레이트를 사용하는 것도 가능하다. 바람직한 구현예에서, 상기 방법은 데이터 세트가 획득되는 센서부로 다중-웰 플레이트를 운반하는 데 사용되는 로봇-아암(robot-arm)을 포함하는 장치의 사용에 의해 수행된다.
또 다른 구현예에 따르면, 각각의 웰은 식물성 소재의 하나의 조각을 함유한다. 이는 올바른 데이터 획득을 보장하는 데 유리하다: 한 조각의 식물성 소재의 표현형 데이터 및 유도된 파라미터(예를 들어 성장)가 정확하게 추출될 수 있다. 각각의 웰이 식물성 소재 한 조각만 포함함이 확실시 되면, 데이터 기록은 단순화된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 화학 물질은 상이한 농도로 도포된다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, 유효 농도는 화학 물질의 분류 전에 결정되었다. 이는 예를 들어, 가져온 농도 범위를 적용하고 기술된 영상화 센서로 표현형 효과, 예를 들어, 식물 생장에 대한 효과 또는 식물성 소재에 대한 광합성 활성에 관한 EC50 값을 조사함으로써, 달성될 수 있다. 분류를 위해 적어도 하나의 유효 농도가 선택된다. 이는 분류 방법의 정확도를 높이는데 유리하다. 또한, 과소 및 과잉 투여를 모두 피하기 위해, 실제 도포 시 특정 화학 물질의 사용에 대한 나중의 권고를 위해 유리할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 다수의 공간적으로 분리된 식물성 소재, 즉, 조각에 대해 하나의 집합적 데이터 세트가 취해지고, 이는 후속적으로 식물성 소재의 단일 조각당 단일 데이터 세트로 분해된다. 예시적인 구현예에서, 식물성 소재의 96개 조각에 대해 하나의 집합적 데이터 세트가 한 번에 취해지고 나중에 96개의 단일 데이터 세트로 분해되며, 각각은 식물성 소재의 한 조각의 데이터를 함유한다. 이러한 방식으로, 상기 방법은 고-처리량 선별(high-throughput screening)에 적합하다: 더 많은 수의 식물성 소재의 하나의 큰 데이터 세트를 얻고 나중에 그것을 단일 식물성 소재당 몇 개의 더 작은 데이터 세트로 분해하는 것이 더 용이하기 때문에, 선별에 더 적은 시간이 걸린다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 식물성 소재의 다수의 데이터 세트는 미리 정의된 상이한 시간에 및/또는 상이한 센서의 사용에 의해 처리 후에 획득된다. 일 구현예에서, 다수의 데이터 세트는 하나의 데이터 세트의 획득 사이에 1시간 내지 48시간, 바람직하게는 12시간 내지 30시간, 특히 바람직하게는 24시간의 시간 간격으로 처리한 후 동일한 식물성 소재에 대해 획득된다. 처리 후 데이터 세트를 얻는 시작점은 식물성 소재, 생장 조건, 사용되는 화학 물질에 따라서도 달라질 수 있다. 데이터 세트의 획득 사이의 24시간의 시간 간격의 경우, 데이터는 예를 들어, 처리 후 24, 48, 72 및 96시간에 획득될 수 있다. 일 구현예에서, 식물성 소재의 조각당 총 2 내지 10개 데이터 세트(시점)가 획득되며, 바람직하게는 3 내지 7개, 특히 바람직하게는 4개이다. 이들 데이터 세트는, 식물성 소재에 대한 화학 물질의 일부 표현형 효과가 시간이 지남에 따라 진화하기에, 더 높은 정확도로 SoA 및/또는 MoA를 할당하는 것을 돕는 반면, 다른 것들은 빠른 효과를 나타낸다: 상이한 SoA 및/또는 MoA를 갖는 화학 물질에 의해 처리된 상이한 식물성 소재의 데이터 세트는 처리 96시간 후에 유사하게 보일 수 있지만, 처리 후의 초기 시점에서는 상이하다. 더 이른 시점에서 취해진 데이터 세트들이 상이한 SoA 및/또는 MoA에 대해 동일하게 보일 수 있고 나중 시점에 특정한 차이들을 보여줄 수 있음이 발견되는 편이 낫다. 따라서, 시간 코스는 개별 SoA 및/또는 MoA를 구별하기 위한 중요한 기준이 될 수 있다.
다수의 데이터 세트는 미리 정의된 상이한 시간들 이후뿐만 아니라 상이한 센서들의 사용에 의해서도 획득될 수 있다. 바람직한 구현예에서, VIS 및 NIR 센서를 통한 초분광 영상화는 엽록소 형광 및 RGB 영상화와 조합된다. 상이한 센서들의 사용에 의해 그리고 미리 정의된 상이한 시간들 후에 다수의 데이터 세트들을 획득하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 적어도 하나의 SoA 및/또는 MoA에 대한 화학 물질의 할당의 정확도가 극대화된다. 본 발명에 따른 방법의 하나의 이점은 짧은 시간 내에 많은 수의 데이터 세트들을 처리할 수 있어서 문제없이 대규모 데이터 수집이 가능하다는 점이다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 식물성 소재의 데이터 세트는 후속적으로 식물성 소재의 상이한 부분들의 단일 데이터 세트들로 분해될 수 있다. 이는 특히 식물성 소재에 대한 화학 물질의 효과의 심층 분석에 유리하며, SoA 및/또는 MoA로의 할당을 용이하게 할 수 있다. 가령 자엽, 뿌리 부위 또는 전체 식물에 대해 그 효과가 특히 두드러지는지 여부를 판단할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 자동화된 정량적 이미지 분석 프로세스는 배경에 속하는 것들로부터 식물성 소재에 대응하는 영역들(즉, 픽셀들의 세트)을 분리하는, 기록된 데이터 세트에 대한 특수 프로그램을 통해 수행된다. 또 다른 구현예에서, 광 스펙트럼을 함유하는 데이터 세트가 기록되는 경우, 이 프로그램은 모든 기록된 광 스펙트럼 파장들에 걸쳐 어느 픽셀 세트가 식물성 소재에 대응하는지를 추출할 것이다. 그 다음, 프로그램은 획득된 데이터를 교정하고, 그것을 SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐을 보완하는 데이터-행렬로 변환한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 화학 물질로 처리되기 전에 식물성 소재의 적어도 하나의 표현형적 특성을 나타내는 적어도 하나의 데이터 세트가 획득된다. 처리 전에 식물의 표현형적 특성의 데이터 세트를 취하는 것은 특정 SoA 및/또는 MoA에 대한 할당의 정확도를 증가시키는 것을 돕는다: 처리 후에 취해진 적어도 하나의 데이터 세트와 처리 전에 취해진 하나 이상의 데이터 세트의 비교는 식물에 대한 화학 물질의 영향을 명확하게 보여준다. 비교 가능한 데이터 세트를 얻기 위해 처리 전에 촬영한 이미지는 처리 후에 이미지를 촬영하는데 사용된 것과 동일한 센서를 사용하여 획득되어야 한다. 비교가능성을 확보하기 위해서는 각 식물 물*에 대한 처리 직전에 데이터가 획득되어야 한다.
처리 후 데이터 세트와 대조군 데이터 세트를 비교할 수도 있다. 대조군은 선별된 화학 물질로 처리되지 않는다는 점을 제외하고, 처리 대상 식물성 소재과 동일한 방식으로 제조된 식물성 소재의 하나 이상의 조각에 의해 구축된다. 바람직하게는, 각 다중-웰 플레이트는 방법의 오류를 확인하고 데이터를 수정하기 위해 여러 개의 대조군을 함유한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따르면, 적어도 하나의 SoA 및/또는 적어도 하나의 MoA에 화학 물질을 할당하는 것은 기계 학습 프로세스를 수행하는 적응 프로그램을 사용하여 수행된다. 바람직한 구현예에서, 기계 학습 프로세스는 감독 하에 수행된다. 이는 바람직하게는 각각의 SoA 및/또는 MoA가 SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐을 수립하는 것으로 알려진 잘 특징화된 화학 물질의 데이터 세트의 코퍼스(corpus)에 대해 훈련된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, SoA 및/또는 MoA 컴펜듐은 추가의 SoA 및/또는 MoA의 적어도 하나의 기준 물질의 데이터의 기록에 의해 증강된다. 이러한 방식으로, 공지된 SoA 및/또는 MoA에 할당되는 화학 물질에 대해 생성된 데이터 세트는 전술한 데이터 세트의 포함에 의해 SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐을 업데이트하도록 저장된다. 유리하게는, 기록된 모든 데이터는 상이한 SoA 및/또는 MoA 및 이들에 연결된 표현형적인 특성의 더 나은 이해에 기여한다. SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐이 증가함에 따라, SoA 및/또는 MoA에 대한 기록된 데이터 세트들의 할당이 더 정확해진다. 이러한 방식으로, 기록된 모든 단일 데이터 세트는 선별 방법의 증가된 신뢰성에 기여한다. 신뢰성 있는 SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐을 획득하기 위해 동일한 SoA 및/또는 MoA에 대해 상이한 화학 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐에는 가능한 많은 데이터 세트를 기록하고 저장하며 꾸준히 성장하게 하는 것이 유리하다. 또 다른 바람직한 구현예에서, 바람직하게는 >80%의 원하는 예측 정확도를 갖는 공지된 SoA 및/또는 MoA에 할당된 화학 물질에 대한 데이터 세트만이 SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐을 업데이트하는데 사용된다.
바람직한 구현예에서, 컴펜듐은 적어도 15개의 상이한 알려진 SoA 및/또는 MoA의 데이터를 함유한다. 감독 하의 기계 학습 기법(고전적 기계 학습 및 인공 지능, 즉, AI 둘 다)은 기계 학습 프로세스를 나타내는 분류 모형을 구축하는데 사용되며, 이는 미지의 화학 물질의 SoA 및/또는 MoA를 바람직하게는 50% 초과의 원하는 정확도로, 특히 바람직하게는 80% 초과의 원하는 정확도로 예측할 수 있다.
또 다른 구현예에서, 서포트-벡터 머신(SVM)은 도포된 화학 물질의 SoA 및/또는 MoA의 분류를 위한 기계 학습 프로세스를 위한 감독 학습 모형으로서 사용된다. SVM의 연관된 학습 알고리즘들은 훈련 데이터로서 SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐을 구축하는 제1단계에서 활용된다. 또 다른 구현예에서, SVM은 도포된 물질의 SoA 및/또는 MoA의 분류를 위해 사용되는 훈련 데이터로서 SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐을 분석하는 연관된 학습 알고리즘과 함께 감독 학습 모형으로서 사용된다.
또 다른 구현예에서, 전체 기록된 데이터 세트에 대해 대표적인 (원시 획득된 데이터 세트 대신에) 특징들이 추출되고 기계 학습 프로세스를 수행하는 데 사용된다. 이러한 기능은 기계 학습 프로세스에서 자동으로 선택되고 기록된 주요 데이터 세트만큼 양호하거나 그것보다 우수한 표현형 특성을 포착한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 특징화되지 않은 SoA 및/또는 MoA가 각각의 화학 물질에 대해 식별되는데, 이는 SoA 및/또는 MoA 컴펜듐 내의 임의의 기록된 SoA 및/또는 MoA에 할당될 수 없다. 이러한 특징은 특징화되지 않은 및/또는 신규한 SoA 및/또는 MoA 정보의 첨가에 의해 데이터 컴펜듐을 증가시키는 것을 돕고, 화학 물질과 이들이 유도하는 세포간 프로세스의 이해를 향상시킨다. 이러한 방식으로, 상기 방법은 공지된 SoA 및/또는 MoA에 화학 물질을 할당하는 것뿐만 아니라, 기재된 방법에 의해 지금까지 특징화되지 않은 SoA 및/또는 MoA를 식별하는 데에도 적합하다.
또 다른 구현예에 따르면, 식물성 소재는 본 발명에 따른 방법의 단계 a)에서 종자 또는 묘목 단계에 있다. 이렇게 하면 모든 식물성 소재에 계층화(stratification)를 적용할 수 있고, 화학 물질이 식물성 소재에 적용되면 모든 식물성 소재가 정확히 같은 단계로 성장하게 된다. 결과의 신뢰성을 보장하기 위해서는 출발 식물성 소재가 가능한 한 균일해야 한다. 종자 또는 묘목 단계로의 성장은 후기 식물 성장 단계에 비해 짧은 시간밖에 걸리지 않기 때문에, 이 상태의 식물성 소재의 사용이 이 방법에서 우선시된다. 결과적으로, 상기 방법은 실험실 규모의 고-처리량 선별에 적합하다. 후기 성장 단계에서 식물성 소재의 시간 소모적인 배양은 필요하지 않다. 종자 또는 묘목 단계에서 식물성 소재를 사용하는 또 다른 이점은 공간을 절약하여 비용 효율적인 선별에 이상적이게 한다는 것이다. 공간을 많이 쓰는 화분이나 오래되고 규모가 큰 식물성 소재의 경작지 재배 대신 많은 수의 식물성 소재가 생육상에 보관될 수 있다. 여러 다중-플레이트 웰(multi-plate well)이 하나 이상의 생육상의 상이한 레벨 상에 유지될 수 있고, 이에 의해 성장 조건은 모든 다중-웰 플레이트에 대해 동일하고, 결과적으로 모든 식물성 소재에 대해 동일하다. 이처럼 초기 단계의 식물성 소재를 활용하는 또 다른 이점은 해당 스타디움에 묘목의 유사성이 높다는 것이다. 식물성 소재가 나이를 더 먹을수록, 각각의 단일 식물성 소재의 발달이 점점 더 동떨어진다. 따라서, 비교 가능성의 이유로, 성장 및/또는 발달의 초기 단계에 있는 식물성 소재를 사용하는 것이 유리하다.
또 다른 구현예에 따르면, 식물성 소재는 식물 종 애기장대(Arabidopsis thaliana)에 속하며, 이는 다른 고등 식물 종보다 결과를 전달하기 위해 짧은 발생 주기, 잘 확립된 성장 조건 및 특성을 갖는 대표적인 잡초라는 이점을 갖는다. 빠르게 성장하는 식물 종은 선별 시간이 단축되고 생장 조건이 확립되는 장점이 있어 처리량이 많은 실험실 조사에 특히 유리하다. 그러나, 새포아풀(Poa annua), 저먼 캐모마일(Matricaria chamomilla) 또는 렘나의 속에 속하는 식물과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 다른 식물 종을 선별에 사용하는 것도 가능하다.
또 다른 구현예에 따르면, 화학 물질은 식물 성장 조절제이다. 본 발명에 따르면, 식물 성장 조절제는 식물 성장 및 발달에 긍정적 또는 부정적 영향을 미치는 화학 물질이다. 이들 화학 물질은 하기 부류 중 하나에 속할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다: (1) 화학적으로 합성된 소분자 또는 자연 발생적인 화학 물질, 예컨대 제초제인 식물독소; (2) 식물 성장을 촉진하고/하거나 수확량을 증가시키는 화학 물질, 예컨대 식물호르몬 및/또는 비료; 및 (3) 식물의 생물학적 및 비생물학적 스트레스 내성을 향상시키는 화학 물질, 예컨대 제초제로부터 식물을 보호하는 완화제 또는 가뭄 내성을 조절하는 화합물. 본 발명에 따른 방법을 사용하여 임의의 상기 유형의 식물 성장 조절제를 선별하는 것은, 이들이 그들의 SoA 및/또는 MoA에 정확하게 할당될 수 있고, 신규 SoA 및/또는 MoA의 경우에, 새로운 부류가 설정될 수 있기 때문에 유리하다.
실시예 1 - 식물 성장 절차
고도로 제어된 환경 조건에서 성장한 식물성 소재는 화학 물질 처리로 인해 발생하는 식물성 소재에 대한 영향을 분석할 수 있는 기반이 된다. 빠르게 성장하는 식물성 소재의 소형화된 성장 시스템은 선별 시스템에 대한 처리량을 제공한다. 식물성 소재는 하기 절차에 따라 96 웰 다중-웰 플레이트(예를 들어, ANSI 표준 SLAS R2012)의 공동에서 성장시켰다: 멸균 식물 성장 배지(3.9 g/l MS 염, 0.45 g/l MES, 10 g/l 수크로오스, ph 5.7(KOH 포함) 및 7 g/l 한천) 150 ㎕를 96 다중-웰 플레이트의 각각의 웰에 옮겼다. 식물성 소재의 단일 표면 멸균된 종자(염산 증기에서 3시간 인큐베이션됨)를 96 다중-웰 플레이트의 각각의 공동에 옮겼다. 다중-웰 플레이트를 폴리에틸렌 호일로 밀봉하고 4℃에서 2일 동안 인큐베이션하여 종자 휴면을 파괴하였다. 계층화 후, 플레이트를 16시간 빛(120 μmol m-2s-1, 4000 K) 및 8시간 어둠으로, 일정한 22℃로 설정된 식물 생육상으로 옮겼다. 생육상에서 5일 후, 식물성 소재를 화학 물질로 처리하였다.
실시예 2 - 화합물 도포 절차
화학 물질의 표준화된 도포와 상이한 농도의 사용은 각각의 개별 화학 물질의 식물성 소재 처리 효과의 일관성 있는 분석을 가져왔다. 본 구현예에서, 식물성 소재는 실시예 1에 기재된 바와 같은 과정에 따라 성장시켰다. 식물성 소재는 하기 프로토콜에 따라 화학 물질로 처리하였다: 화학 물질은 각각의 화학 물질에 대한 저장 용액을 제공하기 위해 100% 디메틸 술폭시드(DMSO)에 개별적으로 용해시켰다. 저장 용액을 물로 희석하여 0.3%의 최종 DMSO 농도를 달성하였다. 피펫을 사용하여 희석 용액 25 μl를 다중-웰 플레이트의 각각의 공동 내로 고체 성장 배지 위에 도포하였다. 전체적으로, 각 화학물질의 효능에 따라 식물성 소재에 화학물질당 각기 다른 세 가지 농도를 별개로 도포하였다. 도포 농도는 0.01 내지 2000 g/ha의 범위에 속하였다. 도포된 화학 물질을 표 1에 나타내었다. 공동마다, 단일 물질 및 용액(즉, 농도)만을 도포하였다.
하기 설명에서, 하기 약어는 다음과 같다: ACCase: 아세틸 CoA 카복실라제; ALS: 아세토락테이트 합성효소; DXR: 1-데옥시-d-자일룰로오스-5-포스페이트 리덕토아이소머라제; DXS: 1-데옥시-D-자일룰로오스 5-포스페이트 합성효소; FAT: 지방산 티오에스테라제; HPPD: 4-하이드록시페닐-피루베이트-디옥시게나제; HST: 호모겐티세이트 솔라네실트랜스퍼라제; PDS: 파이토엔 데사투라제; PPO: 프로토포르피리노겐 옥시다제; PSII: 광화학계 II; 및 VLCFA: 초장쇄 지방산 합성.
표 1에 열거된 화학 물질들은 SoA 및/또는 MoA 분류를 위한 서포트 벡터 머신 모형을 훈련시키기 위해 애기장대 식물에 도포하였다.
[표 1]
실시예 3 - 식물 영상화를 위한 절차
본 명세서에 적용된 광범위한 세트의 민감한 디지털 영상화 시스템들은 처리에 사용되는 화학 물질을 적어도 하나의 SoA 및/또는 MoA에 할당하기 위해 식물성 소재에 대한 처리의 효과들을 필수적으로 상세하게 검출하는 것을 보장한다.
본 구현예에서, 식물성 소재의 표현형적 특징에 대응하는 데이터 세트는 다음의 절차에 따라 생성하였다: 처리 전뿐만 아니라 화학 물질로 처리한 후 24, 48, 72 및 96시간 후, 단일 웰 내의 식물성 소재를 갖는 다중-웰 플레이트를 식물 생육상에서 꺼내어, 이어서 초분광 카메라 VIS(예를 들어, GreenEye, InnoSpec GmbH , Germany), 초분광 카메라 NIR(예를 들어, RedEye, InnoSpec GmbH , Germany), 펄스 진폭 변조 클로로필 형광화학계(예를 들어, Imaging PAM, WALZ GmbH , Germany) 및 RGB 카메라(예를 들어, 디지털 단일 렌즈 반사(SLR) 카메라 - EOS700D, Canon AG, Japan)로 영상화하였다. 그린아이(GreenEye) 카메라는 406 내지 1190 nm의 스펙트럼 범위로 설정한 반면, 레드아이(RedEye) 카메라는 940 내지 1743 nm로 설정하였다. 초분광 영상화 카메라 둘 다에 대해, 백색(폴리테트라플루오르에틸렌) 및 암흑기준(완전히 어두워진 측정실 또는 대물렌즈)의 영상을 매일 교정을 위해 촬영하였다. 백색 및 암흑 기준을 사용하는 것은 0(신호 암흑 기준)과 1(신호 백색 기준) 사이에서 조정되는 상대적인 무차원 단위로 파장당 측정된 반사율을 표현할 수 있게 한다. ImagingPAM은 LED 패널에 의해 방출된 포화 광 펄스(720 ms) 전후의 엽록소 형광을 측정함으로써 광화학계 II의 양자 효율(식물성 소재의 전체 광합성 용량)을 측정하도록 설정하였다. EOS700D를 사용하여, 각각의 다중-웰 플레이트에서 디지털 사진을 찍었다. 식물성 소재의 영상화 후, 다중-웰 플레이트를 식물 생육상으로 다시 옮겼다.
실시예 4 - 영상 분석 절차
자동화된 영상 분석 프로세스는 식물성 소재의 표현형 특성에 대응하는 고품질 데이터 세트를 신속하게 생성할 수 있고, 사용된 센서부로부터 발생하는 변화를 제거한다. 데이터 세트들은 다음의 절차에 따라 분석하였다: 초분광 카메라들의 암흑/백색 기준 영상 쌍들은 개별 측정 영상들의 취급 이전에 처리하였다. 암흑/백색 기준 영상 쌍들은 광 불균일성 및 측정 일 효과들로 인한 최대 위치 반사율(maximal positional reflectance)의 차이들뿐만 아니라 공간 위치 및 스펙트럼 차원을 따른 센서 감도의 차이들을 해결하기 위한 교정 시스템으로서 역할을 한다. 추가적으로, 센서 가공품(공간 차원을 따라 유의미한 값이 강하) 및 데드 픽셀 스팟들(암흑-기준 아래의 백색-기준 값)은 공간적으로 이웃하는 픽셀들 사이의 선형 보간을 사용하여 보정하였다. 영상들은 각각의 스펙트럼 및 공간 차원에 대한 상응하는 암흑/백색 기준들에 기초하여 조정하였다. Savitzky-Golay 평활화 필터를 사용하여 스펙트럼 차원을 따라 평활화하는 것은 신호 잡음을 보정하기 위해 수행하였다. 시각적 파장 범위를 다루는 카메라의 경우, 합성 RGB 영상들은 CIE 2006 컬러 매칭 및 D65 표준 광원 값들을 사용하여 (재)구성하였다. 다중-웰 플레이트의 미리 정의된 템플릿은 오츠의 임계화 방법(GreenEye)을 사용하여 초기에 검출된 식물성 소재에 기초하거나 또는 서클 허프 변환(RedEye)을 사용하여 검출된 공동 경계로부터 지정된 공동 모멘트(cavity moment)에 기초한 템플릿 매칭 및 아핀 변환을 사용하여 정렬하였다. 정렬된 식물성 소재 마스크는 지정된 영상 영역에 걸쳐 정제된 최종 식물성 소재 검출뿐만 아니라 모호하지 않은 식물성 소재-대-공동 관계의 확립을 용이하게 한다. 식물성 소재는 재구성된 RGB 영상으로부터 다수의 선택된 스펙트럼 대역 및 영상 채널에 걸쳐 오츠(Otsu)의 방법을 사용하여 최종적으로 검출하였다. 하류 통계적 분석 및 학습 접근법의 경우, 검출된 식물성 소재는 편차를 포함하는 평균 및 중간 스펙트럼 벡터로서 요약하였고, 이진 NetCDF 휴대용 데이터 저장 포맷으로 익스포트하였다. ImagingPAM으로부터의 데이터는 오츠-기반 임계화로부터 초기에 검출된 식물성 소재와의 템플릿 매칭 및 아핀 변환을 사용하여 다중-웰 플레이트의 미리 정의된 템플릿에 정렬하였다. 식물 광화학계 II의 양자 효율뿐만 아니라 식물성 소재 크기의 추정은 공통의 표준 방정식에 기초한다.
실시예 5 - 감독 학습 프로그램에 의한 SoA/MoA 분류
화학 물질을 적어도 하나의 SoA 및/또는 MoA에 할당하는 것은 하기 프로세스에 따라 수행하였다: 식물성 소재로부터의 모든 픽셀의 식물 광화학계 II 데이터의 평균 반사율 스펙트럼 및 양자 효율을 분류를 위해 사용하였다. 초분광 영상의 분석을 위해 178개의 스펙트럼 대역을 갖는 446.8 내지 1127.8 nm의 스펙트럼 범위를 고려하였다. 화합물의 도포 전에 촬영된 영상에서 677 nm에서 반사율이 0.35 유닛 초과인 모든 식물성 소재 조각은 너무 작거나 또는 시야면으로부터 기울어진 식물성 소재를 여과하기 위해 제거하였다. 또한, 임의의 시점에 677 nm에서 반사율이 0.01 유닛 미만인 모든 식물성 소재 조각은 다중-웰 플레이트의 발아되지 않은 식물성 소재 또는 성형된 공동을 제거하기 위해 폐기하였다. 측정된 시간 척도에서 처리되지 않았거나 적절하게 성장하지 않는 식물성 소재 조각을 식별하기 위해, 아웃라이어 검출은 식물성 소재의 자동화된 측정된 크기를 사용하여 처리 후 96시간에 각각의 처리 및 농도에 대해 수행하였다. 식물성 소재 크기의 영향을 줄이기 위해, 값을 0에서 1(다른 데이터 유형과 동일한 범위)로 재조정하였다. 스펙트럼 대역에 걸친 각각의 식물성 소재에 대한 z-점수는 다중-웰 플레이트의 상이한 공동으로부터의 식물성 소재들 사이의 작은 변화(shift)에 대해 정규화하기 위해 계산하였다. 분석을 위해 가장 높은 화학 물질 농도로 처리한 식물성 소재 조각의 데이터를 고려하였다. 초분광 영상화 데이터뿐만 아니라 화학 물질의 도포 96시간 후의 식물성 소재 조각으로부터 수득된 크기 및 도포 24시간 후의 수득된 식물성 소재 조각의 광화학계 II의 양자 효율을 분류에 사용하였다. 특정 SoA 및/또는 MoA를 갖는 화학 물질의 데이터 세트에 대해, 각각의 SoA 및/또는 MoA에 대한 측정 수의 균형을 맞추기 위해 대체물을 갖는 샘플링을 수행하였다. 분류를 위해 화학 물질당 평균적으로 상이한 식물성 소재의 측정 시점 및 도포 농도에서 80개의 개별 측정치를 사용하였다. 표 1에 나열된 화학 물질로 처리된 식물성 소재의 데이터 세트에 상응하는 컴펜듐 상에서 다중-부류 서포트 벡터 머신(SVM)을 훈련시켜 각 처리된 식물성 소재의 SoA 및/또는 MoA를 분류하였다. 마지막으로, 특정 화학 물질의 SoA 및/또는 MoA를 분류하기 위해, 단일 화학 물질의 개별적으로 처리된 모든 식물성 소재 조각에 대해 분류된 SoA 및/또는 MoA 부류의 평균 80개의 개별 식물성 소재 조각의 획득된 분류의 다수표를 사용하였다.
본 발명의 추가적인 이점들, 유리한 구현예들 및 발전들은 개략적인 도면들과 관련하여 아래에서 설명되는 예시적인 구현예들로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에서 데이터 획득의 상이한 단계들의 개요를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 개요를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 방법에 사용되는 다중-웰 플레이트의 예시적인 절결부를 도시한다.
도 4a는 본 발명에 따른 방법에 사용되는 원시 데이터(raw data)를 표시하는 예시적인 플롯을 도시한다.
도 4b는 조정되고 평활화된 방식으로 도 4a의 데이터를 표시하는 예시적인 플롯을 도시한다.
도 5a~d는 본 발명에 따른 방법에서 얻은 상이한 공지의 화학 물질로 처리된 식물성 소재의 평균 스펙트럼을 도시한다.
도 6은 데이터 세트를 획득하기 위해 초분광 영상화를 사용하는 영상 처리에 대한 예시적인 코드 작업 흐름을 도시한다.
도 7은 데이터 세트를 획득하기 위해 ImagingPAM을 사용하는 영상 처리를 위한 예시적인 코드 작업 흐름을 도시한다.
도 8은 SoA/MoA 분류를 위한 예시적인 코드 작업 흐름을 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에서 데이터 획득의 상이한 단계들의 개요를 도시한다. 단계 1에서, 식물성 소재를 공동, 예를 들어 다중-웰 플레이트의 웰 내로 도포하였다. 이후, 상기 방법의 단계 2에서 데이터를 획득하였다. 이 구현예에서, 디지털 광학 센서를 통해 식물성 소재의 데이터 세트를 취했다. 데이터 획득은 하나 또는 여러 개의 상이한 센서에 의해, 예를 들어 초분광 VIS 센서(2.1), 초분광 NIR 센서(2.2), 엽록소 형광 센서(2.3), RGB 센서(2.4) 또는 초분광 UV 센서(2.5)에 의해 수행될 수 있다. 단계 2의 상이한 센서들의 조합, 예를 들어 초분광 VIS 센서(2.1), 초분광 NIR 센서(2.2) 및 엽록소 형광 센서(2.3)의 사용에 의한 데이터 획득이 유리하다. 이들 센서의 사용이 바람직하고, 이에 의해 RGB 센서(2.4) 및 초분광 UV 센서(2.5)가 또한 선택적으로 사용될 수 있다. 단계 3에서, 단계 2에서 취해진 원시 데이터 세트들을 수집하였다. 영상 처리 파이프라인(4)은 특징 벡터에서 식물성 소재에 대해 획득된 모든 데이터(상이한 센서/공간 및 스펙트럼 정보)를 나타내는 특징 추출기로서 작용한다. 모든 데이터 세트는 5단계에서 병합하였다. 상기 방법의 마지막에, 범용 데이터 세트를 수집하였다(단계 6).
도 2는 본 발명에 따른 방법의 개요를 도시한다. 처음에, 화합물(7)의 선택이 일어난다. 이 단계에서 하나 이상의 선별대상 화학 물질, 식물성 소재 및 데이터 취득 센서를 선택하였다. 화학 물질은 확립된 제초 SoA 및/또는 MoA 또는 특징화되지 않은 것들을 다루어 수동으로 선택할 수 있다. 단계 8에서, 식물성 소재의 조각당 하나의 공동을 준비하였다. 각각의 공동에는 식물성 소재를 위한 성장 배지를 장착하였다. 본 특이적 실시예에서는, 식물성 소재로서 애기장대 종자를 사용하였다. 하나의 공동에 하나의 씨앗을 넣었다. 이것은 한 식물의 표현형 데이터 및 도출된 파라미터가 영상 분석 파이프라인에 의해 추출될 수 있도록 보장한다. 이 실시예에서 공동은 다중-웰 플레이트의 웰이며, 다중-웰 플레이트의 사용은 취급을 용이하게 한다. 상기 다중-웰 플레이트를 식물 성장(9)을 위한 생육상에 투입하기 전에 계층화를 실시하여 씨앗 휴면을 파괴하였다. 이 구현예에서의 표준 성장 조건은 하루 16시간의 빛(120 μmol m-2 s-1) 및 8시간의 어둠을 갖는 생육상에서 수크로오스와 고체 성장 배지 상에서 5일의 예비-성장을 포함한다. 생육상 내부의 온도는 22℃를 일정하게 유지하였다. 특정 SoA 및/또는 MoA를 향상시키기 위해 선별 방법에 상이한 성장 조건을 적응시킬 수 있고, 이것은 표준 성장 조건하에서 식물성 소재에 미미하게 영향을 미치거나 또는 전혀 미치지 않는다. 성장 조건은 또한 상이한 식물 종에 대해 적응시킬 수 있다. 사전-성장 후, 식물성 소재의 제1 데이터 세트는 처리(11) 직전에 획득하였다. 본 구현예에서, 이것은 바람직하게는 초분광 VIS 센서, 초분광 NIR 센서 및 엽록소 형광 센서의 조합을 사용하여, 상이한 센서에 의한 영상 획득(전처리)(10)을 통해 수행하였다. 이들 센서의 사용은 넓은 스펙트럼 및 고해상도를 갖는 디지털 영상화 데이터의 기록이 식물성 소재의 표현형을 특징화할 수 있게 한다. 전체 파라미터 제어 및 영상 획득 및 처리의 자동화를 위한 맞춤화된 획득 소프트웨어와 이들 센서의 조합이 바람직하다. 전체 다중-웰 플레이트에 대해 센서당 하나의 집합적 데이터 세트를 취했다. 그 후, 에어로졸의 분사를 통한 피펫팅 또는 엽상 도포에 의해 처리(11)를 수행할 수 있다. 각각의 다중-웰 플레이트는 처리되지 않은 식물성 소재를 갖는 대조군 웰을 함유하였다. 이것은 프로세스 오류를 식별하는 데 도움이 되었다. 이 구현예에서, 영상 획득(처리 후)(12)은 처리(11) 후 24, 48, 72 및 96시간에 수행하였다. 다음 단계(영상화 원시 데이터(3))에서, 다중-웰 플레이트에 대해 취해진 데이터 세트를 하나의 묘목을 포함하는 각각의 단일 웰에 대한 단일 데이터 세트로 분할하고, 영상 처리 파이프라인(4)에 의해 추가로 분석하여, 처리된 데이터 세트(13)로 병합하였다. 데이터 필터링(14)은 처리 전에 최적으로 성장하지 않은 발아되지 않은 종자, 오염된 웰 또는 식물성 소재를 식별하는 데 도움이 되었다. 이들 데이터 세트는 단계 15에서 추가 분석에서 제외시켰다. 교란 효과(confounding effect)를 제거하기 위해 처리된 식물성 소재의 표현형 데이터에 대한 혼합 효과 모형에 의해 데이터 정규화(16)를 수행하였다. 이 단계는 시간 경과 (몇 주, 몇 개월 및 몇 년)에 따라 데이터를 비교하는 데 매우 중요하다. 데이터 정규화(16) 후에, 데이터 세트들은 추가 처리를 위해 단계 17에서 요약하였다. 자동 특징 추출(18)은 가장 관련성 있는 표현형 특성을 추출하는 역할을 한다. 이전 단계들에서 수집한 SoA 및/또는 MoA 서명들은 단계 19에서 데이터에 할당하였다. 후속적으로 SoA 및/또는 MoA의 인식에 관한 알고리즘을 훈련시켰다. 훈련 후에 모형을 검증하였다. 검증되지 않은 데이터의 경우 알고리즘을 추가로 훈련시키고 데이터를 다시 검토하였다. 공지된 SoA 및/또는 MoA를 갖는 화학 물질의 사용은 알고리즘의 적절한 훈련 및 검증을 위해 필수적이다. 데이터를 검증할 때, 공지된 화학 물질의 SoA 및/또는 MoA로 구성된 이러한 데이터에 기초하여 SoA- 및/또는 MoA-분류기(20)를 훈련시킨다. 훈련 단계에서 획득된 데이터는 감독 기계 학습(예를 들어 랜덤 포레스트 또는 서포트 벡터 머신(SVM)를 포함함)에 의해 화학 물질의 정확한 SoA 및/또는 MoA를 예측하도록 훈련된 이 수학적 분류 모형을 구축하는 데 사용하였다. SoA 및/또는 MoA를 정확하게 분류하기 위해 모든 데이터 포인트에 딥 러닝뿐만 아니라 고전적 기계를 사용하였다. 이어서, SoA- 및/또는 MoA-분류기(20)에 의해 할당된 데이터는 SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐(21)에 저장하였다. SoA 및/또는 MoA를 범주화하기 위해 아웃라이어 점검(23)을 사용하였다: 데이터가 SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐(21)에 저장된 데이터 패턴들과 일치하면, 분류(25)가 발생한다. 데이터가 저장된 데이터 중 어느 것과도 일치하지 않는 경우, 특징화되지 않은 (잠재적으로 신규한) SoA 및/또는 MoA를 검출하였다(단계 24). 특징화되지 않은 MoA 및/또는 SoA의 검출은 추가의 작업을 필요로 하고, MoA- 및/또는 SoA-컴펜듐에 추가의 데이터를 첨가할 가능성을 열어준다.
도 3은 영상 취급 프로세스에 의해 자동으로 검출되는 96개의 공동(27)을 포함하는 다중-웰 플레이트(26)의 절결부(cutout)를 도시한다. 각각의 공동(27)은 하나의 식물성 소재(28)를 포함한다. 추가의 분석에서, 식물성 소재(28)와 연관된 픽셀은 단일 공동(27)의 확대(zoom-in)에서 묘사된 배경(29)으로부터 분리될 수 있다. 이러한 방식으로, 성장 배지 및/또는 공동을 포함하는 배경은 추가의 데이터 처리로부터 배제될 수 있다.
도 4a 및 4b에서, 스펙트럼 영상화 데이터의 2가지 상이한 예시적인 플롯이 도시되어 있다: 도 4a는 원시 데이터를 표시하는 반면, 도 4b는 조정되고 평활화된 데이터를 도시한다. 초분광 카메라 센서의 감도는 스펙트럼 범위에 따라 다르다. 이 효과를 정규화하고 크기를 조정하려면 흰색과 암흑 기준이 필요하다. 도 4a 및 도 4b의 양쪽 플롯에서, 파선(dash line)(30)은 암흑 기준을 나타내는 반면, 점선(31)은 백색 기준(고반사 물질의 영상화: 폴리테트라플루오르에틸렌)을 표시하고, 실선(32)은 식물성 소재를 표시한다. 여기에 도시된 VIS 스펙트럼의 외부 영역에서는, 민감도가 중심에서보다 낮고(도 4a에 도시됨), 식물성 소재 데이터는 백색 및 암흑 기준들 사이에 있다. 도 4a에 표시된 원시 데이터는 영상 처리 파이프라인에서 편집하였다. 도 4b는 조정되고 평활화된 데이터를 도시한다. 조정(scaling)은 전체 스펙트럼에 걸친 동적 범위의 고려를 보장하는 반면, 데이터의 평활화는 작은 변동을 편평하게 하여, 따라서 스펙트럼에서의 관련 변화를 강화한다.
도 5a~d는 식물성 소재의 스펙트럼에 미치는 처리의 효과를 예시하기 위해, 공지된 상이한 화학 물질로 처리된 식물성 소재(애기장대)에 대한 평균 스펙트럼을 도시한다. 상이한 스펙트럼들은 각각 화학 물질들의 도포 96시간 후에 다수의 식물성 소재로부터 획득된 데이터 세트들의 평균값을 나타낸다. 화학 물질당 도포 농도는 괄호 안에 언급하였다: 도 5a는 대조군 처리(모의) 및 상이한 SoA/MoA를 사용한 하기의 3가지 처리의 스펙트럼을 도시한다: 노르플루라존(5 g/ha) - 파이토엔 데사투라제(PDS) 억제제; 2,4-DB(100 g/ha) - 합성 옥신; 및 설코트리온(2 g/ha) - 4-하이드록시페닐-피루베이트-디옥시게나제(HPPD) 억제제. 이들 스펙트럼은 상이한 SoA 및/또는 MoA를 이용한 처리의 효과를 예시하며, 이는 식물성 소재의 상이한 스펙트럼에 더해진다. 도 5b~d는 동일한 SoA 및/또는 MoA에 의해 작용하는 화학 물질로 처리된 식물성 소재의 스펙트럼을 도시한다. 이들 스펙트럼의 식물성 소재는 함께 무리지어 있다. 도 5b에 도시된 결과는 합성 옥신을 사용하여 획득하였다: 2,4-DB (100 g/ha); MCBA (10 g/ha); 및 Dicamba (50 g/ha). 도 5c에 도시된 결과는 파이토엔 데사투라제(phytoene desaturase, PDS) 억제제인 베플루부타미드(10 g/ha); 노르플루라존(5 g/ha); 및 피콜리나펜(1 g/ha)을 사용하여 획득하였다. 도 5d에 도시된 결과는 4-하이드록시페닐-피루베이트-디옥시게나제(HPPD) 억제제; 설코트리온(2g/ha); 메소트리온(1g/ha); 및 토프라메존(100g/ha)를 사용하여 얻은 결과이다. 도 5a~d에 도시된 결과의 경우, 애기장대(기탁번호 Col-0) 식물을 실시예 1에 기재된 바와 같이 성장시켰다. 화학 물질은 실시예 2에 기재된 바와 같이 도포하였다. 처리 및 농도당 96개의 식물을 분석하였다. 영상 획득은 실시예 3에 기재된 바와 같이 처리 전뿐만 아니라 처리 후 24, 48, 72 및 96시간에 수행하였다. 생성된 데이터는 실시예 4에 기재된 바와 같이 처리하였고, SoA 및/또는 MoA 분류를 위해 데이터 세트를 생성하였다. 공지된 SoA 및/또는 MoA를 갖는 화학 물질의 할당은 표 1에 열거된 각각의 화학 물질을 시험 데이터로서 사용하여 실시예 5에 기재된 바와 같이 수행하였다. 평균적으로, 5가지 화학 물질로 처리된 식물성 소재의 표현형적 특징은 하나의 SoA 및/또는 MoA를 기술한다. 분류 성능은 바람직하게는 각각의 화학 물질을 훈련 데이터 세트에서 빼내서 각각의 식물성 소재를 정확한 SoA 및/또는 MoA에 할당하는 것을 시험함으로써 시험하였다(표 2a). 이용 가능한 2개 미만의 화학 물질을 갖는 SoA 및/또는 MoA의 경우, 고전적 교차 검증(classical cross validation)에 기초하여 정확도를 계산하였다(표 2b). 분류 성능은 분류 모형이 정확한 MoA 및/또는 SoA를 얼마나 잘 식별하는지에 대한 통계적 측정치로서 예측 정확도를 사용하여 평가하였다. 여기서 정확도는 전체 시험 건수 중 올바른 예측(참 긍정 및 참 부정 모두)의 비율이다.
[표 2a]
[표 2b]
도 6은 데이터 세트를 획득하기 위해 초분광 영상화를 이용한 영상 처리에 대한 예시적인 코드 작업 흐름을 도시한다. 단계 3에서, 하나의 다중-웰 플레이트에 대하여 원시데이터 영상화를 일괄적으로 실시하였다. 획득된 각각의 데이터 세트는 나중에 식물성 소재의 조각당 단일 데이터 세트로 분할될 수 있지만, 작업 흐름의 이 시점에서는, 다중-웰 플레이트당 하나의 데이터 세트를 사용하였다. 영상 보정(35) 및 픽셀 드롭아웃 보정(36)은 데이터 세트의 경우뿐만 아니라 정규화에 사용되는 백색 및 암흑 기준 영상들(33, 34)의 경우에도 발생하였다. 백색 및 암흑 기준 영상(33, 34)은 나중에 스펙트럼 범위 조정(39)을 위해 사용될 수 있는 처리된 기준(38)의 베이스를 구축하기 전에 데드스팟 보정(37)을 거쳤다. 공간 디스트라이핑(40)은 스펙트럼 평활화(41) 전에 선택적으로 수행할 수 있으며, 이는 단계42로 이어지고, 여기서 나중에 구축된 분류기의 더 낮은 정확도를 피하기 위해 선택적으로 스펙트럼 대역 제거를 수행하였다. 이어서 특징 추출(18)을 위해 처리된 데이터 큐브(45)를 사용하였다. 단계 46은 영상 임계화 프로세스를 설명하며, 여기서 단계 47의 플레이트 템플릿 매칭과 함께, 데이터 세트의 데이터 포인트들을 배경 또는 전경 데이터로서 범주화하였다. 다중-웰 플레이트 템플릿 레벨에서 여전히 플레이트 템플릿 매칭(47)을 수행하였다. 그 후, 단계 48에서 플레이트 웰 레벨 상에서 임계화를 반복하였다. RGB 영상의 합성인 선택적 단계 43을 이전에 수행한 경우, 다중-웰 플레이트 레벨에서 획득된 RGB/컬러 데이터(44)는 이 지점에서도 사용될 수 있다. 식물성 소재의 단일 조각당 데이터 세트를 획득하기 위해, 객체 마스킹(49)을 수행하였다. 이 단계에서, 다중-웰 플레이트의 각각의 단일 조각의 식물성 소재에 속하는 데이터는 마스킹하여, 개별적으로 다수의 단일 데이터 세트를 생성하였다. 공간적 요약(17) 후에, 도 6에 도시된 작업 흐름을 중단하기 전에, 식물성 소재의 단일 조각당 특징 벡터(50)를 연속적으로 구축하였다.
도 7은 데이터 세트를 얻기 위해 ImagingPAM을 사용하는 영상 처리를 위한 예시적인 코드 작업 흐름을 도시한다. 제1 단계에서, 다중-웰 플레이트당 원시 데이터(3)의 영상화 및 그 후 영상 임계화(46)를 수행하였다. 이어서, 단계 48에서 플레이트 웰에 대한 임계화가 일어나기 전에, 배경-보정된 데이터 세트는 플레이트 템플릿 매칭(47)을 위한 다중-웰 플레이트 템플릿과 비교하였다. 이전에 도 6에 도시된 것처럼, 단계 49에서 식물성 소재의 단일 조각은 개별적으로 마스킹하였다. 도 7에 도시된 작업 흐름을 중단하기 전의 마지막 단계에서, 식물성 소재의 단일 조각의 각각의 데이터 세트에 대한 광합성 파라미터(51)를 처리된 데이터에 기초하여 결정하였다.
도 8은 SoA 및/또는 MoA 분류를 위한 코드 작업 흐름을 도시한다. 작업 흐름이 시작된 후에, 식물성 소재의 단일 조각당 광합성 파라미터들(51) 및 특징 벡터(50) 두 가지를 결합하였다. 이후, 데이터 필터링(14)을 수행하였다. 데이터가 충분하지 않으면, 단계 17에서 이들 데이터 포인트를 폐기하였다. 필터링(14)을 통과한 데이터는 단계 52에서, 단계 53에서 데이터 세트를 조정함으로써 처리하고, 단계 54에서 증강시켰다. 이러한 방식으로 생성된 데이터 세트는 이어서 식물성 소재의 표현형적 특징을 적어도 하나의 SoA 및/또는 MoA에 할당하기 위해 사용하였다(단계 55). SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐(21)에 기초한 SVM SoA- 및/또는 MoA-분류기(20)를 식물성 소재의 단일 조각당 SoA 및/또는 MoA 예측(56)을 위해 사용하였다. 다수결(57)에 의해, SoA 및/또는 MoA 예측(56)은 도 8에 예시된 작업 흐름을 중단하기 전에 화학 물질별로 수행하였다.
Claims (18)
- 하기 프로세스 단계를 포함하는, 식물성 소재의 처리에 의한 적어도 하나의 화학 물질의 선별 방법:
a. 식물성 소재를 공동(cavity)에 도포하는 단계;
b. 식물성 소재를 화학 물질로 처리하는 단계;
c. 화학 물질로 처리한 후 식물성 소재의 적어도 하나의 표현형적 특성을 나타내는 적어도 하나의 데이터 세트를 생성하는 단계; 및
d. 공지된 작용 사이트(SoA) 및/또는 작용 모드(MoA)의 적어도 하나의 기준 물질에 의해 처리된 적어도 하나의 식물성 소재의 표현형적 특성들 사이의 의존성들에 관한 데이터를 포함하는 SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐을 사용함으로써, 데이터 세트에 기초하여 화학 물질을 다수의 저장된 SoA 및/또는 MoA 중 적어도 하나의 SoA 및/또는 적어도 하나의 MoA에 할당하는 단계를 포함하는, 선별 방법. - 제 1 항에 있어서, 데이터 세트는 센서부를 이용하여 획득되는, 선별 방법.
- 제 2 항에 있어서, 센서부는 비파괴 및 비침투성 방식에서 데이터 세트를 획득하는 데 사용되는, 선별 방법.
- 제 2 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 센서부는 초분광 VIS, 초분광 NIR, 엽록소 형광 또는 RGB 센서 중 적어도 하나를 포함하는, 선별 방법.
- 제 4 항에 있어서, 원형 배열의 램프 및 반사면을 갖는 광원이 초분광 VIS 및 초분광 NIR 센서가 식물성 소재를 균질하게 조명하기 위해 사용되는, 선별 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 공동은 다중-웰 플레이트의 웰인, 선별 방법.
- 제 6 항에 있어서, 각각의 웰은 식물성 소재 한 조각을 함유하는, 선별 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 화학 물질은 상이한 농도로 도포되는, 선별 방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 집합적 데이터 세트가 다수의 식물성 소재 조각에 대해 취해지고, 이어서 식물성 소재의 단일 조각당 단일 데이터 세트로 분해되는, 선별 방법.
- 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 식물성 소재의 다수의 데이터 세트는 미리 정의된 상이한 시간에 및/또는 상이한 센서의 사용에 의해 처리 후에 획득되는, 선별 방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 식물성 소재의 데이터 세트는 후속적으로 식물성 소재의 상이한 부분들의 단일 데이터 세트들로 분해될 수 있는, 선별 방법.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 화학 물질로 처리하기 전에 식물성 소재의 적어도 하나의 표현형적 특성을 나타내는 적어도 하나의 데이터 세트가 획득되는, 선별 방법.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 화학 물질을 적어도 하나의 SoA 및/또는 적어도 하나의 MoA에 할당하는 단계는 기계 학습 프로세스를 수행하는 적응 프로그램을 사용하여 수행되는, 선별 방법.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐은 추가의 SoA 및/또는 MoA의 적어도 하나의 기준 물질의 데이터의 기록에 의해 증강되는, 선별 방법.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, SoA- 및/또는 MoA-컴펜듐 내의 임의의 기록된 SoA 및/또는 MoA에 할당될 수 없는 각각의 화학 물질에 대해 특징화되지 않은 SoA 및/또는 MoA가 식별되는, 선별 방법.
- 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 식물성 소재는 단계 a에서 종자(seed) 또는 묘목(seedling) 단계에 있는, 선별 방법.
- 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 식물성 소재는 애기장대(Arabidopsis thaliana) 식물 종에 속하는, 선별 방법.
- 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 화학 물질은 식물 성장 조절제인, 선별 방법.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP20215187.4 | 2020-12-17 | ||
| EP20215187 | 2020-12-17 | ||
| PCT/EP2021/082701 WO2022128366A1 (en) | 2020-12-17 | 2021-11-23 | Method for screening of a chemical substance |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230121112A true KR20230121112A (ko) | 2023-08-17 |
Family
ID=73855454
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020237023821A KR20230121112A (ko) | 2020-12-17 | 2021-11-23 | 화학 물질 선별 방법 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20240036034A1 (ko) |
| EP (1) | EP4264261A1 (ko) |
| KR (1) | KR20230121112A (ko) |
| CN (1) | CN116601490A (ko) |
| WO (1) | WO2022128366A1 (ko) |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4427438C2 (de) * | 1994-08-03 | 1996-07-11 | Gsf Forschungszentrum Umwelt | Verfahren zur Charakterisierung des Photosynthesesystems von Pflanzen zum Nachweis der Wirkung von Herbiziden und/oder zum Nachweis von Wassermangel |
| EP1777486B1 (en) | 2005-08-01 | 2013-07-17 | Pioneer-Hi-Bred International, Inc. | Sensor system, method, and computer program product for plant phenotype measurement in agricultural environments |
| KR20110065500A (ko) | 2008-09-05 | 2011-06-15 | 바스프 에스이 | 물질 또는 물질 혼합물의 시험 방법 및 그의 용도 |
| NL1036677C2 (nl) * | 2009-03-06 | 2010-09-07 | Praktijkonderzoek Plant & Omgeving B V | Werkwijze en inrichting voor het maken van beelden die informatie bevatten over de kwantumefficiëntie en de tijdrespons van het fotosynthesesysteem met tot doel het bepalen van de kwaliteit van plantaardig materiaal en werkwijze en inrichting voor het meten, classificeren en sorteren van plantaardig materiaal. |
| US11982627B2 (en) | 2018-01-31 | 2024-05-14 | Monsanto Technology Llc | Systems and methods for quantitative phenotype analysis |
| GB2582547B (en) * | 2019-03-18 | 2022-08-10 | Vivent Sa | Apparatus and method for assessing a characteristic of a plant |
-
2021
- 2021-11-23 US US18/266,207 patent/US20240036034A1/en active Pending
- 2021-11-23 CN CN202180085573.7A patent/CN116601490A/zh active Pending
- 2021-11-23 KR KR1020237023821A patent/KR20230121112A/ko unknown
- 2021-11-23 WO PCT/EP2021/082701 patent/WO2022128366A1/en active Application Filing
- 2021-11-23 EP EP21815512.5A patent/EP4264261A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116601490A (zh) | 2023-08-15 |
| EP4264261A1 (en) | 2023-10-25 |
| US20240036034A1 (en) | 2024-02-01 |
| WO2022128366A1 (en) | 2022-06-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Le Marié et al. | Rhizoslides: paper-based growth system for non-destructive, high throughput phenotyping of root development by means of image analysis | |
| Humplík et al. | Automated integrative high-throughput phenotyping of plant shoots: a case study of the cold-tolerance of pea (Pisum sativum L.) | |
| Lazarević et al. | Application of phenotyping methods in detection of drought and salinity stress in basil (Ocimum basilicum L.) | |
| Reddy et al. | Glyphosate‐resistant and glyphosate‐susceptible Palmer amaranth (Amaranthus palmeri S. Wats.): hyperspectral reflectance properties of plants and potential for classification | |
| US11737443B2 (en) | Methods for deploying biosentinels to agricultural fields and monitoring biotic and abiotic stresses in crops remotely | |
| Carvalho et al. | Hyperspectral reflectance of leaves and flowers of an outbreak species discriminates season and successional stage of vegetation | |
| US5981958A (en) | Method and apparatus for detecting pathological and physiological change in plants | |
| Rousseau et al. | Phenoplant: a web resource for the exploration of large chlorophyll fluorescence image datasets | |
| US20170074788A1 (en) | Spectroscopy method and system | |
| Treder et al. | Possibilities of using image analysis to estimate the nitrogen nutrition status of apple trees. | |
| Lawson et al. | Chlorophyll fluorescence imaging | |
| Savvides et al. | Challenging the water stress index concept: Thermographic assessment of Arabidopsis transpiration | |
| Pfaff et al. | Mitespotting: approaches for Aculops lycopersici monitoring in tomato cultivation | |
| KR20230121112A (ko) | 화학 물질 선별 방법 | |
| Pieters et al. | Limitations of snapshot hyperspectral cameras to monitor plant response dynamics in stress-free conditions | |
| JP4258780B2 (ja) | 物質の成分推定装置 | |
| Tiwari et al. | Precision phenotyping for mapping of traits for abiotic stress tolerance in crops | |
| Codrea et al. | Mahalanobis distance screening of Arabidopsis mutants with chlorophyll fluorescence | |
| Ibaraki et al. | Nondestructive evaluation of the photosynthetic properties of micropropagated plantlets by imaging photochemical reflectance index under low light intensity | |
| Mira et al. | A method to measure the damage caused by cell-sucking herbivores | |
| Segečová et al. | Stress response monitoring of photoautotrophic higher plant suspension cultures by fluorescence imaging for high-throughput toxic compound screening | |
| Jansen et al. | Image processing for bioassays | |
| AU2017259723A1 (en) | Method and apparatus for high throughput testing of a treatment on one or more characteristic of plants | |
| US10772275B2 (en) | Method and apparatus for high throughput testing of a treatment on one or more characteristic of plants | |
| Lawson et al. | Imaging Spatial and Temporal Variation in Photosynthesis Using Chlorophyll Fluorescence |