人工智能有助于预测甘蔗在田间的表现

人工智能有助于预测甘蔗在田间的表现

人工智能有助于预测甘蔗在田间的表现

巴西研究人员开发的一项技术提高了育种计划的效率,节省了选择时间以及植物基因分型和表征的成本。 图片来源:IAC 位于 Ribeirão Preto 的甘蔗中心

一项巴西研究发表在 科学报告 表明人工智能 (AI) 可用于为甘蔗和牧草品种的基因组选择创建有效模型,并根据其 DNA 预测它们在田间的表现。

在准确性方面,与传统育种技术相比,所提出的方法将预测能力提高了 50% 以上。 这是第一次针对多倍体植物(其中细胞具有两套以上完整的染色体)提出了一种基于机器学习的高效基因组选择方法,包括所研究的草类。

机器学习是人工智能和计算机科学的一个分支,涉及统计和优化,具有无数的应用。 它的主要目标是创建自动从数据集中提取模式的算法。 它可用于预测植物的性能,包括它是否能抵抗或耐受由昆虫、线虫、真菌或细菌引起的害虫和疾病等生物胁迫,以及寒冷、干旱、盐分等非生物胁迫或土壤养分不足。

杂交是传统育种计划中使用最广泛的技术。 “你通过杂交有趣的植物来建立种群。例如,在甘蔗的情况下,你将产生大量糖的品种与另一种更具抗性的品种杂交。你将它们杂交,然后评估所得基因型在领域,”该研究文章的第一作者、计算机科学家 Alexandre Hild Aono 说。 Aono 是坎皮纳斯州立大学分子生物学和基因工程中心 (CBMEG-UNICAMP) 的研究员。 他毕业于圣保罗联邦大学 (UNIFESP)。

“但是这个评估过程需要很长时间并且非常昂贵。我们提出的方法甚至可以在这些植物生长之前预测它们的性能。我们成功地根据遗传物质预测了产量。这很重要,因为它节省了很多多年的评估,”青野解释道。

就甘蔗而言,挑战非常复杂。 根据UNICAMP生物研究所植物遗传学教授和Aono博士的Anete Pereira de Souza的说法,传统的育种技术需要9到12年的时间并且成本很高。 CBMEG 的主管。

“当育种者发现一种有趣的植物时,他们会通过克隆来繁殖它,这样基因型就不会丢失,但这需要时间并且成本很高。一个极端的例子是橡胶树的育种,可能需要长达 30 年的时间”苏萨说。 克服这些困难的一种方法是她所谓的“植物育种 4.0”,它大量使用数据分析和高效的计算和统计工具。 每个基因分型测序过程可能涉及 10 亿个序列。

科学家在试图培育出更好的多倍体植物品种(如甘蔗和牧草)时面临的主要障碍是其基因组的复杂性。 “在这种情况下,考虑到资源稀缺和处理这种复杂性的难度,我们甚至不知道基因组选择是否可行,”Aono 说。

方法

研究人员从二倍体植物(包含具有两组染色体的细胞)开始基因组选择过程,因为它们具有更简单的基因组。 “问题是像甘蔗这样的高价值热带植物不是二倍体,而是多倍体,这是一个复杂的问题,”Souza 说。

虽然人类和几乎所有动物都是二倍体,但甘蔗的每条染色体可能有多达 12 个拷贝。 任何智人物种的个体最多可以有两个基因的变体,一个遗传自父亲,另一个遗传自母亲。 甘蔗更复杂,因为理论上任何基因都可以在同一个体中具有许多变体。 它的基因组区域有六组染色体,其他区域有八组、十组,甚至十二组。 “遗传学是如此复杂,以至于育种者与甘蔗一起工作,就好像它是二倍体一样,”Souza 说。

2001 年,现任挪威生命科学大学 (NMBU) 动物育种和遗传学教授的荷兰科学家 Theodorus Meuwissen 提出了基因组选择,以预测动植物的复杂性状及其表型(可观察到的特征导致来自它们的基因型与环境的相互作用)。 这种植物育种方法的优势在于感兴趣的表型性状(例如产量、糖水平或早熟)与单核苷酸多态性 (SNP) 之间的联系。 Souza解释说,“剪断”(发音为SNP)是DNA中单个碱基位置的基因组变异。

“这是任何两个人基因组的差异。例如,一个人可能有一个 A(对应于核苷酸腺嘌呤),它比另一个在基因组中的同一位置产生一个 G(鸟嘌呤)的人多一点。那会改变一切,”她说。 “当你发现与你正在寻找的东西相关联时,比如高水平的糖产量,以及基因组不同位置的特定 SNP,你可以只对你的育种工作所关注的种群进行测序。”

Aono 及其同事提出的进步免除了在整个育种周期中种植和表型的需要。 “我们在程序的初始阶段进行现场实验,以获得每个克隆感兴趣的表型,”Souza 说。

“与此同时,我们非常直接地对繁殖种群中的所有克隆进行测序,而不需要为每个克隆获取整个基因组。这就是所谓的基因分型测序——部分测序,以寻找碱基对中的差异和相似性对于克隆,以及它们与每个克隆的产量之间的关联。表型和基因组之间的关联显示了哪些产生更多,哪些 SNP 与更高的产量相关。通过这种方式,我们可以识别出具有大部分 SNP 的克隆,这些 SNP 有助于在最初的实验中观察到更高的产量,并更快、更便宜地获得最高产的品种。”


研究人员确定了可能导致甘蔗抵抗害虫、寒冷和干旱的基因


更多信息:
Alexandre Hild Aono 等人,多倍体草基因组预测的联合学习方法, 科学报告 (2022 年)。 DOI: 10.1038/s41598-022-16417-7

引文:人工智能有助于预测甘蔗在田间的表现(2022 年 10 月 19 日),2022 年 10 月 19 日检索自 https://phys.org/news/2022-10-artificial-intelligence-sugarcane-field.html

本文件受版权保护。 除出于私人学习或研究目的的任何公平交易外,未经书面许可,不得复制任何部分。 内容仅供参考。


#人工智能有助于预测甘蔗在田间的表现

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

FDA 授予 TT-101 用于晚期 HCC 的快速通道指定 Previous post FDA 授予 TT-101 用于晚期 HCC 的快速通道指定
美国宇航局的补给任务将科学实验带到空间站——抛物线 Next post 美国宇航局好奇号漫游者终于到达令人敬畏的火星咸区