伊利诺伊州尚佩恩 – 科学家们使用机器辅助的超分辨率显微镜来克服数十年来阻碍藻类自然历史研究的挑战。他们的方法使他们能够检测草花粉粒之间的细微差异，并跟踪同一地点 25,000 年来草多样性的变化。
研究人员在《美国国家科学院院刊》上的报告中写道，“开放草原是地球历史上相对较新的生态系统，开放草原栖息地的历史可以追溯到大约 4000 万年前的始新世。” “草可能是大约 12,000 年前最早被驯化的植物，如今包括一些世界上最重要的主食，如小麦、大米、玉米、大麦、高粱和小米。”
但研究人员在尝试对花粉粒进行分类时面临着巨大的挑战：草花粉往往看起来相同，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校植物生物学教授 Suraangi Punyasena 说，他与前博士生共同撰写了这项新研究。学生 Marc-Ely Adaime，现在是史密森尼数字与创新办公室的博士后研究员。
与其他开花植物的花粉不同，花粉可以通过形状、穗状花序、凹槽或孔隙结构来区分，不同草种的花粉粒在标准光学显微镜下看起来非常相似。
“作为古植物学家和古生物学家，我们仅限于研究花粉粒的形态，花粉粒是可以化石化的植物的主要部分之一，”普尼亚塞纳说。
该领域缺乏信息；问题是找到对其分类的客观衡量标准。
“在一立方厘米的沉积物中，可以有数千甚至数百万的花粉粒，”他说。 “但在机器学习之前我们能够分析的水平受到人类能力的限制。”
光学显微镜无法区分花粉粒表面的特征。电子显微镜可以揭示更多特征，但其方式昂贵且劳动密集型。
普尼亚塞纳说，这限制了科学家研究和了解草类进化和分布的能力。
在之前的研究中，他和他的同事们推进了高分辨率显微镜的使用，揭示了草花粉的一些隐藏特征。
“超分辨率显微镜的工作原理类似于共焦显微镜，使用激光照射单个点，”Punyasena 说。 “但从算法上来说，它会吸收所有散射光并将其计算回原点。你可以接近电子显微镜的质量，但过程更快、更容易。”
普尼亚塞纳说，通过分析这些图像，阿代梅“认识到花粉粒表面图案的设计和复杂性以及细胞壁的厚度都存在微小差异”。
使用来自几种可识别草种的图像，Adaime 训练了一个机器学习模型来识别这些差异。然后，他开发了一种统计方法，该方法使用模型所用的样本来估计包含不同物种花粉的样本中的物种多样性。当测试具有已知物种组成的样本时，该方法产生的估计值与其真实多样性密切相关。
“这基本上就是机器学习的定义：计算机模型能够学习模式并将学习应用到新数据，而无需给出明确的规则，”阿代梅说。
阿达梅说，该模型使用“卷积神经网络”，其灵感来自于动物大脑中的神经元网络如何处理视觉信息。 “这些网络中的人工神经元显然比真正的神经细胞简单得多。”
该模型还区分了 C3 和 C4 藻类，它们组织中进行光合作用的二氧化碳浓度不同。 （C4 藻类更有效地利用二氧化碳，提高光合作用能力和水分利用效率。）先前的研究表明，与 C3 物种相比，C4 物种将更多的生物量分配给根部，但产生的叶子密度较低。 Adaime 和 Punyasena 假设，与 C3 藻类相比，C4 藻类在单个有吸引力的颗粒上投入的资源可能更少，这可能有助于形成更薄的壁和不太复杂的表面图案。阿达梅说，一些证据支持这一想法，但还需要做更多的工作来证实这一点。
尽管该模型无法识别样本中的单个草种，但它可以准确估计物种多样性。
然后，研究人员使用他们的模型分析了肯尼亚山湖底沉积物中沉积的 25,000 年前花粉的原始样本。
阿达梅说：“我们发现，在上一个冰河时期，尤其是大约 21,000 至 18,000 年前，即最寒冷、最严酷的时期即将结束时，花粉多样性要低得多，专家称之为‘末次盛冰期’。” “那个时期对于生物学家和地球科学家来说特别有趣，因为大气中的二氧化碳含量非常低。”
他说，此后花粉多样性有所增加，这与二氧化碳水平和气温的上升相一致。
研究人员发现，随着时间的推移，C3 与 C4 藻类的比例与大气中的二氧化碳或温度没有明显的关系。他说，C4藻类的比例“在最后一个冰河时期较高，然后逐渐下降”。 “因此，随着气候变暖和二氧化碳增加，C4 藻类的比例减少，C3 藻类的比例增加。”
Punyasena 表示，研究表明，这种方法可以检测物种多样性的变化，并区分古老化石花粉样本中的 C3 和 C4 藻类，使科学家能够快速可靠地将这些化石转化为有用的信息。进一步的研究将完善该方法，并最终将这项研究扩展到分析所有陆地植物的花粉和孢子。
“很高兴看到有更多信息需要解锁，”阿代梅说。 “我们现在有一种方法可以从隐藏在花粉粒之间微妙差异中的线索开始解开草的历史，甚至可能解开草的深层进化历史。”
Punyasena 是伊利诺伊大学 Carl R. Vose 基因组生物学研究所的一个分支机构。
编者注:
要联系 Surang Punyasena，请发送电子邮件至 spunya1@illinois.edu。
要联系 Mark-Eli Adame，请发送电子邮件至 adaimeM@si.edu。
论文“对化石花粉形态的深入研究揭示了东非草类 25,000 年来的生态变化”，可在线获取。 DOI：10.1073/pnas.260737212
