中国の科学者がブドウ育種の新たな方法を促進する人工知能を提案

著者：Eve Cole 更新時間：2024-11-14 19:30:01

人工知能と組み合わせた育種技術により、従来のブドウの育種時間が大幅に短縮されています。記者は中国農業科学院ゲノミクス研究所から、同研究所の周永峰氏のチームが人工知能を使ったブドウ育種の新たな方法を提案したことを知った。これにより育種サイクルが大幅に短縮され、その予測精度は85％にも達するという。従来の方法と比較して、繁殖効率を400％向上させることができます。この研究は、正確なブドウ育種設計を達成し、ブドウ品種の革新を加速し、他の多年生作物の育種に方法論的な参考を提供することが期待されています。関連する研究結果は Nature Genetics に掲載されました。ブドウ育種技術の飛躍ブドウは、さまざまな栄養素が豊富で、さまざまな用途に使われる、人類に親しまれている果物です。しかし、ブドウの種が発芽して実がなるまでには3年かかります。そして、「満足のいく」ブドウ品種を開発するにはさらに時間がかかります。研究によると、約1万年前、人々はブドウを「変化」させる試みを始めました。いわゆる「変態」とは、特定の手段によってブドウの元の特性を選択的に改良することです。このプロセスは品種改良とも呼ばれます。

人類によるブドウの栽培の歴史は1万年前まで遡ることができます。写真提供：中国農業科学院ゲノム研究所初期の頃、人々は野生ブドウを発見すると、高品質のブドウの苗木を保存して代々品種改良し、条件を満たす子孫だけを残していました。この方法は有用ですが、天然遺伝資源への依存度が高く、改善できる範囲が限られているため、これらは育種 1.0 技術と呼ばれています。その後、ブドウの「高収量」と「高甘味度」の両方が必要な場合、「高収量」のブドウ品種と「高甘味度」のブドウ品種を掛け合わせて、両方の親のハイブリッドを作成できることが発見されました。優れた形質を持った子孫を育成するため、この方法はターゲットとなるニーズに応えます。有性選抜されたブドウ品種の需要はありますが、育種サイクルは非常に長く、多くの場合数十年にわたるスクリーニングが必要であり、作業量は膨大です。さらに、ブドウは高度にヘテロ接合性であるため、交雑後の子孫は別々の形質を持ちます。ハイブリダイゼーション効果は理想的ではありません。このアプローチは Breeding 2.0 テクノロジーと呼ばれます。 21世紀初頭以来、分子生物学、量的遺伝学、生物情報学などの学問の隆盛に伴い、育種家は分子マーカーを用いて形質を「設計」する「育種3.0」技術、すなわち分子育種を提案しており、これに基づいてが提案した育種4.0、すなわち膨大なゲノムや遺伝データに基づいて解析・予測を行い、育種の効率と精度を向上させるインテリジェントデザイン育種は、その代表的なものである。

インテリジェントなデザインの育種により、育種の効率と精度が大幅に向上します。写真提供：中国農業科学院ゲノム研究所最初のブドウのパンゲノムが公開された現在、ブドウの育種はまだ 2.0 段階にある。 2.0 から 4.0 への飛躍を達成するには、まず十分に包括的で正確なゲノムデータが必要です。この目的を達成するために、Zhou Yongfeng のチームは 2015 年からブドウのデザイン育種に焦点を当てており、2023 年にはブドウの最初の完全なテロメア対テロメア参照ゲノムマップを発表する予定です。関連する研究は Horticulture Research の表紙記事として掲載されました)。 "優れた。しかし、正確な「設計」を達成するには、1 つのゲノムデータだけでは十分ではありません。これに基づいて、Zhou Yongfeng のチームは、野生品種と栽培品種を含む 9 つの二倍体ブドウ品種を連続的に配列して組み立て、18 のテロメア対テロメアのハプロタイプゲノムを取得し、統合された既存のゲノムデータを使用して、最初の最も包括的で正確なブドウを構築しました。パンゲノムは、単一の参照ゲノムのほぼ 3 倍のサイズです。

ブドウのパンゲノム。写真提供：中国農業科学院ゲノミクス研究所ブドウの遺伝子と形質の関係をさらに明らかにするために、周永峰氏のチームは、ブドウの代謝物含有量を含む29品種以上の代表的なブドウ品種を選択した。果実、果実の大きさ、果皮の色を調査し、ブドウの遺伝子型マップと形質マップを作成しました。これに基づいて、Zhou Yongfeng のチームは定量的遺伝分析を使用して、農業形質に大きく関連する 148 の遺伝子座を特定し、そのうち 122 の遺伝子座が初めて発見されました。この研究では、可溶性固形分含有量やベリーの幅に関連する遺伝子座の近さなど、さまざまな形質を制御する遺伝子座の間に相関関係があることが判明しました。さらに、異なるブドウグループ（ワイン、テーブル、アメリカンテーブルハイブリッド）間には、ベリーの色、皮の渋み、ベリーの形、穂の重さ、果肉の硬さ、果実の大きさなどに関連する複数の領域で、大きな差異がある領域があります。関連する遺伝子座は、農学的形質における多様な選択がワイン製造用ブドウと食用ブドウの分化を促進することを示しています。

29 の農業形質と、さまざまなブドウグループ間のそれらの相関関係。画像提供：中国農業科学院ゲノミクス研究所「AI」はブドウの育種をガイドする包括的で正確なゲノムデータは、正確な「設計」育種の基礎となる育種戦略を最適化し、育種を導くにはどうすればよいでしょうか。これは、インテリジェント育種において答えなければならない質問です。 Zhou Yongfeng のチームは、繁殖戦略を導き最適化するために、スコアに基づいて初期の個体を予測および選択する予測モデルを構築するために機械学習を導入することを決定しました。

ゲノム選択育種戦略。写真提供：中国農業科学院ゲノミクス研究所この研究では、研究者らは形質と遺伝子型を含むデータをトレーニングセット、検証セット、テストセットの 3 つのサブセットに分割しました。機械学習アルゴリズムを使用して、遺伝子型と形質データの間の複雑なネットワーク関係を分析し、トレーニングデータセットを使用して最初のブドウのゲノム全体の選択モデルを構築しました。この研究では、モデルを最適化するために検証セットを通じてモデルパラメーターをさらに調整しました。そして最後に、テストデータセットを使用して最終モデルのパフォーマンスを評価しました。その結果、構造変異情報と機械学習モデルを組み合わせた計算多遺伝子スコア予測精度は 85% もの高いことが示されました。

主要な農業形質の予測精度が大幅に向上しました。写真提供：中国農業科学院ゲノミクス研究所成熟後のブドウの表現型で判断する必要がある交雑育種に比べ、全ゲノム選抜育種技術は苗の段階で成熟後のブドウの形質を予測し、不適格苗を早期に排除し、不要な苗を削減することができます。人件費と投資を削減できるため、ブドウ育種用途に大きな応用可能性があり、ブドウ育種効率が向上し、新しいブドウの遺伝質の生成が促進され、ブドウ育種戦略が革新されます。現在、関連する研究成果をもとに6件の国内発明特許と1件の国際特許が申請・承認されている。この研究は、国家重点研究開発プログラム、国家優秀青少年科学基金（海外）、国立自然科学財団、および地方の科学技術開発を指導する中央政府の特別基金によって支援された。