Cientistas chineses propõem inteligência artificial para promover novos métodos de melhoramento de uvas
Autor：Eve Cole
Data da Última Atualização：2024-11-14 19:30:01
Uma tecnologia de melhoramento combinada com inteligência artificial está reduzindo significativamente o tempo de melhoramento tradicional da uva. O repórter soube pelo Instituto de Genômica da Academia Chinesa de Ciências Agrícolas que a equipe de Zhou Yongfeng do instituto propôs um novo método de melhoramento de uvas usando inteligência artificial, que encurtará bastante o ciclo de melhoramento, e a precisão da previsão chega a 85 % Em comparação com os métodos tradicionais, a eficiência de criação pode ser aumentada em 400%. Espera-se que esta pesquisa alcance um projeto preciso de melhoramento de uvas, acelere a inovação de variedades de uva e forneça referência metodológica para o melhoramento de outras culturas perenes. Resultados de pesquisas relevantes foram publicados na Nature Genetics. Vários avanços na tecnologia de melhoramento da uva A uva é a fruta preferida da humanidade, rica em diversos nutrientes e com diversas utilizações. No entanto, são necessários três anos para que uma semente de uva germine e dê frutos. E leva ainda mais tempo para desenvolver variedades de uvas “satisfatórias”. A pesquisa mostra que há cerca de 10.000 anos, as pessoas começaram a tentar “transformar” as uvas. A chamada “transformação” consiste em melhorar seletivamente as características originais da uva por meios específicos.
A história da domesticação humana das uvas remonta a 10.000 anos atrás. Foto cortesia do Instituto do Genoma da Academia Chinesa de Ciências Agrícolas . No início, depois que as pessoas descobriam as uvas selvagens, elas preservavam mudas de uva de alta qualidade e as reproduziam de geração em geração, deixando apenas descendentes que atendessem aos requisitos. O método é útil, mas é altamente dependente de recursos naturais de germoplasma que podem ser melhorados até certo ponto, por isso são chamados de tecnologia de melhoramento genético 1.0. Mais tarde, as pessoas descobriram que se quisessem uvas com "alto rendimento" e "alta doçura", poderiam cruzar as variedades de uva com "alto rendimento" e as variedades de uva com "alta doçura" para criar um híbrido de ambos os pais. o método satisfaz a necessidade de melhoramento direcionado de variedades de uvas. No entanto, o ciclo de melhoramento é muito longo e muitas vezes requer décadas de triagem. A carga de trabalho é enorme e, como as uvas são altamente heterozigotas, após a hibridização, a prole experimentará segregação de características. e o efeito híbrido não é ideal. Este método é chamado de tecnologia Breeding 2.0. Desde o início do século 21, com o surgimento da biologia molecular, da genética quantitativa, da bioinformática e de outras disciplinas, os criadores propuseram a tecnologia Breeding 3.0, ou seja, o melhoramento molecular, que utiliza marcadores moleculares para "projetar" características, e com base nisso , propôs o Breeding 4.0, ou seja, o melhoramento genético com design inteligente, que analisa e prevê com base no genoma massivo e em dados genéticos para melhorar a eficiência e a precisão do melhoramento. O melhoramento seletivo do genoma completo é o mais representativo.
A criação de design inteligente melhorará muito a eficiência e a precisão da criação. Foto cortesia do Instituto do Genoma da Academia Chinesa de Ciências Agrícolas O primeiro pan-genoma da uva foi divulgado Atualmente, o melhoramento da uva ainda está no estágio 2.0. Para alcançar o salto de 2,0 para 4,0, precisamos primeiro de dados genómicos suficientemente abrangentes e precisos. Para esse fim, a equipe de Zhou Yongfeng tem se concentrado no melhoramento genético de uvas desde 2015 e lançará o primeiro mapa completo do genoma de referência de telômero a telômero de uvas em 2023. A pesquisa relevante foi publicada como artigo de capa na Horticulture Research) "superior. No entanto, para alcançar um "projeto" preciso, os dados do genoma estão longe de ser suficientes. Com base nisso, a equipe de Zhou Yongfeng sequenciou e montou sucessivamente 9 variedades de uva diplóides, incluindo variedades selvagens e cultivadas, e obteve 18 genomas de haplótipos de telômero a telômero, e dados genômicos existentes integrados foram usados para construir a primeira uva mais abrangente e precisa pan-genoma, que é quase três vezes o tamanho de um único genoma de referência.
Pangenoma da uva. Foto fornecida pelo Instituto de Genômica da Academia Chinesa de Ciências Agrícolas Para esclarecer melhor a relação entre os genes e as características da uva, a equipe de Zhou Yongfeng selecionou mais de 400 variedades de uvas representativas de quase 10.000 variedades de uvas, incluindo o conteúdo de metabólitos. bagos, tamanho dos bagos e cor da casca foram investigados, e um mapa de genótipos de uva e um mapa de características foram construídos. Nesta base, a equipa de Zhou Yongfeng utilizou a análise genética quantitativa para identificar 148 loci significativamente relacionados com características agronómicas, dos quais 122 loci foram descobertos pela primeira vez. O estudo constatou que existe uma correlação entre os loci que regulam diferentes características, como a proximidade dos loci relacionada ao teor de sólidos solúveis e à largura dos bagos. Além disso, existem áreas de diferenciação significativa entre os diferentes grupos de uvas (vinho, mesa, híbridos de mesa americanos), com múltiplas áreas relacionadas à cor dos frutos, adstringência da casca, formato dos frutos, peso da espiga, firmeza da polpa, tamanho dos frutos, etc. loci genéticos relacionados indicam que a seleção divergente nas características agronômicas promove a diferenciação da vinificação e das uvas de mesa.
29 características agronômicas e suas correlações entre diferentes grupos de uvas. Imagem fornecida pelo Instituto de Genômica da Academia Chinesa de Ciências Agrícolas. "AI" orienta o melhoramento de uvas. Dados genômicos abrangentes e precisos são a base para um melhoramento de "projeto" preciso. Esta é uma questão que deve ser respondida na criação inteligente. A equipe de Zhou Yongfeng decidiu introduzir o aprendizado de máquina para construir um modelo de previsão para prever e selecionar os primeiros indivíduos com base em pontuações para orientar e otimizar estratégias de reprodução.
Estratégias de melhoramento por seleção genômica. Foto cortesia do Instituto de Genômica da Academia Chinesa de Ciências Agrícolas . Neste estudo, os pesquisadores dividiram os dados contendo características e genótipos em três subconjuntos: conjunto de treinamento, conjunto de validação e conjunto de teste. Algoritmos de aprendizado de máquina foram usados para analisar as complexas relações de rede entre dados de genótipo e características, e o primeiro modelo de seleção do genoma da uva foi construído usando o conjunto de dados de treinamento. A pesquisa ajustou ainda mais os parâmetros do modelo por meio do conjunto de validação para otimizar o modelo, e finalmente o conjunto de dados de teste foi utilizado para avaliar o desempenho do modelo final. Os resultados mostram que a precisão computacional da previsão da pontuação poligênica que combina informações de variação estrutural e modelos de aprendizado de máquina chega a 85%.
A precisão da previsão das principais características agronômicas foi bastante melhorada. Foto cortesia do Instituto de Genômica da Academia Chinesa de Ciências Agrícolas. Através deste modelo, os criadores podem avaliar com rapidez e precisão o potencial genético de grandes quantidades de materiais de cultivo, selecionando melhor variedades excelentes. Em comparação com o cruzamento, que precisa ser avaliado com base no fenótipo das uvas após a maturidade, a tecnologia de melhoramento seletivo do genoma completo pode prever as características das uvas após a maturidade durante a fase de mudas, eliminar mudas não qualificadas o mais cedo possível e reduzir desnecessários custos de mão-de-obra e investimento, tem grande potencial de aplicação em aplicações de melhoramento de uvas, melhora a eficiência do melhoramento de uvas, acelera a criação de novo germoplasma de uva e inova estratégias de melhoramento de uvas. Atualmente, foram solicitados e aprovados resultados de pesquisas relevantes 6 patentes de invenção nacionais e 1 patente internacional foi solicitada. A investigação foi apoiada pelo Programa Nacional Chave de Investigação e Desenvolvimento, pelo Fundo Nacional de Ciência para Jovens Extraordinários (Estrangeiros), pela Fundação Nacional de Ciências Naturais e pelos fundos especiais do governo central para orientar o desenvolvimento local da ciência e da tecnologia.
