人工智能有助于预测甘蔗在田间的表现

发表 在 《科学报告》上的一项巴西研究 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。

与传统育种技术相比，在准确性方面，在 FAPESP 支持下开发的方法 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，以甘蔗为例，您可以将一种产生大量糖的品种与另一种抗性更强的品种杂交。你将它们交叉，然后评估结果基因型在该领域的表现，”计算机科学家 Alexandre Hild Aono说，他是《科学报告》上发表的该研究文章的第一作者。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)。

“但这个评估过程需要很长时间，而且非常昂贵。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产量。这很重要，因为它节省了多年的评估，”Aono 解释说。

就甘蔗而言，挑战非常复杂。UNCAMP 生物研究所植物遗传学教授、CBMEG 青野博士生导师Anete Pereira de Souza表示，传统育种技术需要 9 到 12 年时间并且成本 很高。

“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，但这需要时间和成本。一个极端的例子是橡胶树的培育，可能需要长达 30 年的时间，”Souza 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，鉴于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开始基因组选择过程[包含具有两组染色体的细胞]，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，以至于育种者对甘蔗的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相同位置产生一个 G [鸟嘌呤] 的人多一点。这改变了一切，”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。“我们在项目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——部分测序以寻找克隆碱基对的差异和相似之处，以及它们与每个克隆生产的关联。表型和基因组之间的关联表明哪些产生更多，哪些 SNP 与更高的产量相关。以这种方式，

该项目的成功得益于与多个研究机构和大学的科学家们的多年合作，例如圣保罗大学路易斯德奎罗斯农业学院 (ESALQ-USP)、UNIFESP 科学技术研究所、坎皮纳斯农艺研究所 (IAC)及其位于 Ribeirão Preto 的甘蔗中心、位于南马托格罗索州 Campo Grande 的巴西农业研究公司 (EMBRAPA) 的肉牛部门、位于圣保罗州圣若泽杜斯坎普斯的航空技术研究所 (ITA) 和爱丁堡英国大学罗斯林研究所。