يقترح العلماء الصينيون الذكاء الاصطناعي لتعزيز أساليب جديدة لتربية العنب
الكاتب：Eve Cole
وقت التحديث：2024-11-14 19:30:01
تعمل تكنولوجيا التربية جنبًا إلى جنب مع الذكاء الاصطناعي على تقصير وقت تربية العنب التقليدي بشكل كبير. وعلم المراسل من معهد علم الجينوم التابع للأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية أن فريق تشو يونغ فنغ من المعهد اقترح طريقة جديدة لتربية العنب باستخدام الذكاء الاصطناعي، مما سيؤدي إلى تقصير دورة التكاثر بشكل كبير، وتصل دقة التنبؤ إلى 85 بالمقارنة مع الطرق التقليدية، يمكن زيادة كفاءة التربية بنسبة 400%. ومن المتوقع أن يحقق هذا البحث تصميمًا دقيقًا لتربية العنب، وتسريع ابتكار أصناف العنب، وتوفير مرجع منهجي لتربية المحاصيل المعمرة الأخرى. ونشرت نتائج البحوث ذات الصلة في مجلة Nature Genetics. قفزات عديدة في تكنولوجيا تربية العنب يعتبر العنب من الفاكهة المفضلة لدى البشرية، فهو غني بالعناصر الغذائية المتنوعة وله استخدامات متعددة. ومع ذلك، فإن بذرة العنب تستغرق ثلاث سنوات حتى تنبت وتؤتي ثمارها. ويستغرق تطوير أصناف العنب "المرضية" وقتًا أطول. تظهر الأبحاث أنه منذ حوالي 10000 عام، بدأ الناس في محاولة "تحويل" العنب. إن ما يسمى بـ "التحويل" هو تحسين سمات العنب الأصلية بشكل انتقائي من خلال وسائل محددة، وتسمى هذه العملية أيضًا بالتربية.
يمكن إرجاع تاريخ تدجين الإنسان للعنب إلى ما قبل 10000 عام. الصورة مقدمة من معهد الجينوم التابع للأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية . في الأيام الأولى، بعد أن اكتشف الناس العنب البري، كانوا يحافظون على شتلات العنب عالية الجودة ويقومون بتربيتها من جيل إلى جيل، ولم يتركوا سوى ذرية تفي بالمتطلبات الطريقة مفيدة، ولكنها تعتمد بشكل كبير على موارد الأصول الوراثية الطبيعية ويمكن تحسينها إلى حد محدود، لذلك يطلق عليها تقنية Breeding 1.0. لاحقًا، اكتشف الناس أنهم إذا أرادوا كلاً من العنب "عالي الإنتاجية" و"العذوبة العالية"، فيمكنهم تهجين أصناف العنب ذات "العائد العالي" وأصناف العنب ذات "العذوبة العالية" لإنشاء هجين من كلا الوالدين ذرية ذات سمات ممتازة، وهذه الطريقة تلبي احتياجات المستهدفين هناك طلب على أصناف العنب المنتقاة جنسيًا، لكن دورة التكاثر طويلة جدًا، وغالبًا ما تتطلب عقودًا من الفحص، كما أن عبء العمل ضخم. علاوة على ذلك، نظرًا لأن العنب متغاير الزيجوت إلى حد كبير، فإن النسل سيكون له سمات منفصلة بعد التهجين، وسيصبح النسل ذو سمات منفصلة. تأثير التهجين ليس مثاليًا ويسمى هذا النهج بتقنية Breeding 2.0. منذ بداية القرن الحادي والعشرين، ومع ظهور البيولوجيا الجزيئية، وعلم الوراثة الكمي، والمعلوماتية الحيوية وغيرها من التخصصات، اقترح المربون تقنية Breeding 3.0، أي التربية الجزيئية، التي تستخدم الواسمات الجزيئية "لتصميم" السمات، وعلى هذا الأساس ، اقترح Breeding 4.0، أي تربية التصميم الذكي، الذي يحلل ويتنبأ بناءً على الجينوم الضخم والبيانات الجينية لتحسين كفاءة التكاثر ودقته، وهو الأكثر تمثيلاً.
سيؤدي التصميم الذكي للتربية إلى تحسين كفاءة ودقة التربية بشكل كبير. الصورة مقدمة من معهد الجينوم التابع للأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية. وقد تم إطلاق أول جينوم للعنب في الوقت الحالي، ولا تزال تربية العنب في المرحلة الثانية. ولتحقيق القفزة من 2.0 إلى 4.0، نحتاج أولاً إلى بيانات جينومية شاملة ودقيقة بما فيه الكفاية. ولتحقيق هذه الغاية، ركز فريق Zhou Yongfeng على تصميم تربية العنب منذ عام 2015، وسيصدر أول خريطة جينوم مرجعية كاملة من التيلومير إلى التيلومير للعنب في عام 2023. وتم نشر البحث ذي الصلة كمقالة غلاف في أبحاث البستنة. "أرقى. ومع ذلك، لتحقيق "تصميم" دقيق، فإن بيانات الجينوم الواحد ليست كافية على الإطلاق. على هذا الأساس، قام فريق Zhou Yongfeng بتسلسل وتجميع 9 أصناف من العنب ثنائي الصيغة الصبغية، بما في ذلك الأصناف البرية والمزروعة، وحصل على 18 جينومًا من النمط الفرداني من التيلومير إلى التيلومير، وتم استخدام البيانات الجينومية الحالية المتكاملة لبناء أول عنب أكثر شمولاً ودقة. الجينوم الشامل، وهو ما يقرب من ثلاثة أضعاف حجم الجينوم المرجعي الواحد.
بانجينوم العنب. الصورة مقدمة من معهد علم الجينوم بالأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية من أجل زيادة توضيح العلاقة بين جينات وسمات العنب، اختار فريق تشو يونغ فنغ أكثر من 400 صنف عنب تمثيلي من حوالي 10000 صنف من العنب، بما في ذلك محتوى المستقلبات تم فحص التوت وحجم التوت ولون القشرة، وتم إنشاء خريطة التركيب الوراثي للعنب وخريطة الصفات. وعلى هذا الأساس، استخدم فريق تشو يونغفنغ التحليل الجيني الكمي لتحديد 148 موقعًا مرتبطًا بشكل كبير بالسمات الزراعية، منها 122 موقعًا تم اكتشافها لأول مرة. وجدت الدراسة أن هناك علاقة بين المواقع التي تنظم الصفات المختلفة، مثل قرب المواقع المتعلقة بمحتوى المواد الصلبة القابلة للذوبان وعرض التوت. بالإضافة إلى ذلك، هناك مناطق تمايز كبير بين مجموعات العنب المختلفة (النبيذ، المائدة، هجين المائدة الأمريكية)، مع وجود مناطق متعددة تتعلق بلون التوت، قابض الجلد، شكل التوت، وزن الأذن، صلابة اللب، حجم الثمرة، وما إلى ذلك. تشير المواقع الوراثية ذات الصلة إلى أن الانتقاء المتباين في السمات الزراعية يعزز التمايز بين صناعة النبيذ وعنب المائدة.
29 صفة زراعية وارتباطاتها بين مجموعات العنب المختلفة. الصورة مقدمة من معهد علم الجينوم، الأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية. "الذكاء الاصطناعي" يرشد تربية العنب. البيانات الجينومية الشاملة والدقيقة هي الأساس "للتصميم" الدقيق للتربية. كيف يمكن استخراج هذه البيانات بعمق لتحسين استراتيجيات التربية وتوجيه التربية؟ هذا سؤال يجب الإجابة عليه في التربية الذكية. قرر فريق Zhou Yongfeng تقديم التعلم الآلي لبناء نموذج تنبؤ للتنبؤ واختيار الأفراد الأوائل بناءً على النتائج لتوجيه استراتيجيات التربية وتحسينها.
استراتيجيات تربية الاختيار الجينومي. الصورة مقدمة من معهد علم الجينوم، الأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية . في هذه الدراسة، قسم الباحثون البيانات التي تحتوي على السمات والأنماط الجينية إلى ثلاث مجموعات فرعية: مجموعة التدريب، ومجموعة التحقق من الصحة، ومجموعة الاختبار. تم استخدام خوارزميات التعلم الآلي لتحليل العلاقات الشبكية المعقدة بين النمط الجيني وبيانات السمات، وتم إنشاء أول نموذج اختيار على مستوى جينوم العنب باستخدام مجموعة بيانات التدريب. وقام البحث أيضًا بتعديل معلمات النموذج من خلال مجموعة التحقق من الصحة لتحسين النموذج. وأخيراً تم استخدام مجموعة بيانات الاختبار لتقييم أداء النموذج النهائي. تظهر النتائج أن دقة التنبؤ بنتيجة البوليجين الحسابية التي تجمع بين معلومات التباين الهيكلي ونماذج التعلم الآلي تصل إلى 85%.
تم تحسين دقة التنبؤ بالسمات الزراعية الرئيسية بشكل كبير. الصورة مقدمة من معهد علم الجينوم التابع للأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية. ومن خلال هذا النموذج، يستطيع المربون تقييم الإمكانات الوراثية لكميات كبيرة من مواد التربية بسرعة ودقة، وبالتالي اختيار الأصناف الممتازة بشكل أفضل. بالمقارنة مع التهجين، الذي يجب الحكم عليه بناءً على النمط الظاهري للعنب بعد النضج، يمكن لتكنولوجيا التكاثر الانتقائي للجينوم الكامل التنبؤ بسمات العنب بعد النضج خلال مرحلة الشتلات، والقضاء على الشتلات غير المؤهلة في أقرب وقت ممكن، وتقليل الضرورات غير الضرورية. تكاليف العمالة والاستثمار، لديها إمكانات تطبيق كبيرة في تطبيقات تربية العنب، وتحسين كفاءة تربية العنب، وتسريع إنشاء الأصول الوراثية للعنب، وابتكار استراتيجيات تربية العنب. في الوقت الحاضر، تم تطبيق نتائج الأبحاث ذات الصلة وتم الموافقة على 6 براءات اختراع وطنية وتم تقديم طلب للحصول على براءة اختراع دولية واحدة. تم دعم البحث من قبل البرنامج الوطني للبحث والتطوير الرئيسي، والصندوق الوطني للعلوم للشباب المتفوقين (في الخارج)، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية، والصناديق الخاصة التابعة للحكومة المركزية لتوجيه تطوير العلوم والتكنولوجيا المحلية.
