นักวิทยาศาสตร์จีนเสนอปัญญาประดิษฐ์เพื่อส่งเสริมวิธีการปรับปรุงพันธุ์องุ่นแบบใหม่
ผู้เขียน：Eve Cole
เวลาอัปเดต：2024-11-14 19:30:01
เทคโนโลยีการผสมพันธุ์ผสมผสานกับปัญญาประดิษฐ์ช่วยลดระยะเวลาการผสมพันธุ์องุ่นแบบดั้งเดิมได้อย่างมาก นักข่าวได้เรียนรู้จากสถาบันจีโนมิกส์แห่ง Chinese Academy of Agricultural Sciences ว่าทีมงานของโจว หยงเฟิงจากสถาบันเสนอวิธีการปรับปรุงพันธุ์องุ่นแบบใหม่โดยใช้ปัญญาประดิษฐ์ ซึ่งจะทำให้วงจรการผสมพันธุ์สั้นลงอย่างมาก และความแม่นยำในการทำนายสูงถึง 85 % เมื่อเทียบกับวิธีการดั้งเดิม ประสิทธิภาพการผสมพันธุ์สามารถเพิ่มขึ้นได้ 400% การวิจัยนี้คาดว่าจะบรรลุการออกแบบการปรับปรุงพันธุ์องุ่นที่แม่นยำ เร่งนวัตกรรมพันธุ์องุ่น และให้ข้อมูลอ้างอิงด้านระเบียบวิธีสำหรับการปรับปรุงพันธุ์พืชยืนต้นอื่นๆ ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ใน Nature Genetics ก้าวกระโดดหลายประการใน เทคโนโลยีการปรับปรุง พันธุ์องุ่น องุ่นเป็นผลไม้ยอดนิยมของมวลมนุษยชาติ อุดมไปด้วยสารอาหารนานาชนิด และมีประโยชน์หลากหลาย อย่างไรก็ตาม เมล็ดองุ่นต้องใช้เวลาสามปีจึงจะงอกและออกผล และใช้เวลานานกว่านั้นในการพัฒนาพันธุ์องุ่นที่ "น่าพอใจ" การวิจัยแสดงให้เห็นว่าเมื่อประมาณ 10,000 ปีที่แล้ว ผู้คนเริ่มพยายามที่จะ "เปลี่ยนแปลง" องุ่น สิ่งที่เรียกว่า "การเปลี่ยนแปลง" คือการคัดเลือกปรับปรุงลักษณะเฉพาะขององุ่นด้วยวิธีเฉพาะ
ประวัติความเป็นมาของการเลี้ยงองุ่นโดยมนุษย์สามารถย้อนกลับไปเมื่อ 10,000 ปีที่แล้ว ได้รับความอนุเคราะห์จากสถาบันจีโนมแห่งสถาบันวิทยาศาสตร์การเกษตรแห่งประเทศจีน ในช่วงแรกๆ หลังจากที่ผู้คนค้นพบองุ่นป่า พวกเขาจะอนุรักษ์ต้นกล้าองุ่นคุณภาพสูงและเพาะพันธุ์จากรุ่นสู่รุ่น เหลือเพียงลูกหลานที่มีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดนี้ วิธีนี้มีประโยชน์แต่ต้องอาศัยทรัพยากรพันธุกรรมธรรมชาติเป็นอย่างสูงสามารถปรับปรุงได้ในระดับที่จำกัด จึงเรียกว่าเทคโนโลยี Breeding 1.0 ต่อมาผู้คนค้นพบว่าหากต้องการทั้งองุ่นที่มี "ผลผลิตสูง" และ "ความหวานสูง" ก็สามารถผสมพันธุ์องุ่นที่มี "ผลผลิตสูง" และพันธุ์องุ่นที่มี "ความหวานสูง" เพื่อสร้างลูกผสมระหว่างพ่อแม่พันธุ์ได้ ลูกหลานที่มีลักษณะที่ดีเยี่ยมวิธีนี้ตอบสนองความต้องการของเป้าหมาย มีความต้องการพันธุ์องุ่นที่คัดเลือกทางเพศ แต่วงจรการผสมพันธุ์นั้นยาวนานมาก ซึ่งมักจะต้องผ่านการคัดกรองเป็นเวลาหลายสิบปี และปริมาณงานก็มีมาก ยิ่งกว่านั้น เนื่องจากองุ่นมีความเป็นเฮเทอโรไซกัสสูง หลังจากการผสมพันธุ์ ลูกจะมีลักษณะที่แยกจากกัน และ เอฟเฟกต์การผสมพันธุ์ไม่เหมาะ วิธีการนี้เรียกว่าเทคโนโลยี Breeding 2.0 นับตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 21 ด้วยการเพิ่มขึ้นของอณูชีววิทยา พันธุศาสตร์เชิงปริมาณ ชีวสารสนเทศศาสตร์ และสาขาวิชาอื่น ๆ ผู้ปรับปรุงพันธุ์ได้เสนอเทคโนโลยี Breeding 3.0 ซึ่งก็คือการผสมพันธุ์ระดับโมเลกุล ซึ่งใช้เครื่องหมายระดับโมเลกุลในการ "ออกแบบ" ลักษณะ และบนพื้นฐานนี้ เสนอ Breeding 4.0 นั่นคือการออกแบบพันธุ์อย่างชาญฉลาด ซึ่งวิเคราะห์และคาดการณ์ตามจีโนมและข้อมูลทางพันธุกรรมจำนวนมาก เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความแม่นยำในการผสมพันธุ์ การคัดเลือกพันธุ์ทั้งจีโนมเป็นตัวแทนมากที่สุด
การออกแบบการผสมพันธุ์อย่างชาญฉลาดจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและความแม่นยำในการผสมพันธุ์อย่างมาก ได้รับความอนุเคราะห์จากสถาบันจีโนมแห่ง Chinese Academy of Agricultural Sciences ได้มีการเผยแพร่จีโนมองุ่นชุดแรกแล้ว ปัจจุบันการปรับปรุงพันธุ์องุ่นยังอยู่ในระยะ 2.0 เพื่อให้ก้าวกระโดดจาก 2.0 เป็น 4.0 ก่อนอื่นเราจำเป็นต้องมีข้อมูลจีโนมที่ครอบคลุมและแม่นยำเพียงพอ ด้วยเหตุนี้ ทีมงานของ Zhou Yongfeng จึงมุ่งเน้นไปที่การออกแบบการปรับปรุงพันธุ์องุ่นมาตั้งแต่ปี 2015 และจะเผยแพร่แผนผังจีโนมอ้างอิงระหว่างเทโลเมียร์ถึงเทโลเมียร์ขององุ่นฉบับสมบูรณ์ชุดแรกในปี 2023 งานวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์เป็นบทความปกในวารสาร Horticulture Research) "เหนือกว่า อย่างไรก็ตาม เพื่อให้บรรลุ "การออกแบบ" ที่แม่นยำ ข้อมูลจีโนมเพียงข้อมูลเดียวยังไม่เพียงพอ บนพื้นฐานนี้ ทีมงานของ Zhou Yongfeng ได้จัดลำดับและประกอบองุ่นพันธุ์ดิพลอยด์ 9 สายพันธุ์อย่างต่อเนื่อง ซึ่งรวมถึงพันธุ์องุ่นป่าและพันธุ์ที่ได้รับการเพาะปลูก และได้รับจีโนมจากเทโลเมียร์ถึงเทโลเมียร์ 18 สายพันธุ์ และใช้ข้อมูลจีโนมแบบบูรณาการที่มีอยู่เพื่อสร้างองุ่นพันธุ์แรกที่ครอบคลุมและแม่นยำที่สุด pan-genome ซึ่งมีขนาดเกือบสามเท่าของจีโนมอ้างอิงเดี่ยว
องุ่น pangenome ภาพถ่ายจัดทำโดยสถาบันจีโนมิกส์ สถาบันวิทยาศาสตร์เกษตรแห่งประเทศจีน เพื่อชี้แจงความสัมพันธ์ระหว่างยีนขององุ่นและลักษณะเฉพาะ ทีมงานของโจว หยงเฟิงได้คัดเลือกพันธุ์องุ่นที่เป็นตัวแทนมากกว่า 400 สายพันธุ์จากองุ่นเกือบ 10,000 สายพันธุ์ รวมถึงปริมาณเมตาบอไลต์ด้วย ตรวจสอบผลเบอร์รี่ ขนาดเบอร์รี่ และสีเปลือก และสร้างแผนที่จีโนไทป์ขององุ่นและแผนผังลักษณะ บนพื้นฐานนี้ ทีมงานของโจว หยงเฟิงใช้การวิเคราะห์ทางพันธุกรรมเชิงปริมาณเพื่อระบุตำแหน่ง 148 ตำแหน่งที่เกี่ยวข้องกับลักษณะทางการเกษตรอย่างมีนัยสำคัญ โดยมีการค้นพบ 122 ตำแหน่งเป็นครั้งแรก การศึกษาพบว่ามีความสัมพันธ์กันระหว่างตำแหน่งที่ควบคุมลักษณะต่างๆ เช่น ความใกล้ชิดของตำแหน่งที่เกี่ยวข้องกับปริมาณของแข็งที่ละลายน้ำได้และความกว้างของผลเบอร์รี่ นอกจากนี้ ยังมีความแตกต่างที่สำคัญระหว่างกลุ่มองุ่นต่างๆ (ไวน์ โต๊ะ ลูกผสมอเมริกันเทเบิล) โดยมีหลายประเด็นที่เกี่ยวข้องกับสีของเบอร์รี่ ความฝาดของผิวหนัง รูปร่างของผลเบอร์รี่ น้ำหนักหู ความแน่นของเนื้อผลไม้ ขนาดของผล ฯลฯ ลักษณะ- ตำแหน่งทางพันธุกรรมที่เกี่ยวข้องบ่งชี้ว่าการเลือกที่แตกต่างกันตามลักษณะทางการเกษตรส่งเสริมการสร้างความแตกต่างของการผลิตไวน์และองุ่นสด
ลักษณะทางการเกษตร 29 ชนิดและความสัมพันธ์ระหว่างองุ่นกลุ่มต่างๆ รูปภาพที่จัดทำโดยสถาบันจีโนมิกส์ สถาบันวิทยาศาสตร์การเกษตรแห่งประเทศจีน "AI" เป็นแนวทางในการเพาะพันธุ์องุ่น ข้อมูลจีโนมที่ครอบคลุมและแม่นยำเป็นพื้นฐานสำหรับ "การออกแบบ" การผสมพันธุ์ที่แม่นยำ นี่คือคำถามที่ต้องตอบในการผสมพันธุ์อย่างชาญฉลาด ทีมงานของ Zhou Yongfeng ตัดสินใจแนะนำการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อสร้างแบบจำลองการคาดการณ์เพื่อคาดการณ์และเลือกบุคคลในยุคแรกๆ ตามคะแนนเพื่อเป็นแนวทางและเพิ่มประสิทธิภาพกลยุทธ์การผสมพันธุ์
กลยุทธ์การผสมพันธุ์แบบคัดเลือกจีโนม ได้รับความอนุเคราะห์จากสถาบันจีโนมิกส์ สถาบันวิทยาศาสตร์เกษตรแห่งประเทศจีน ในการศึกษานี้ นักวิจัยได้แบ่งข้อมูลที่มีลักษณะและจีโนไทป์ออกเป็น 3 ชุดย่อย ได้แก่ ชุดฝึกอบรม ชุดตรวจสอบ และชุดทดสอบ อัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่องถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ความสัมพันธ์ของเครือข่ายที่ซับซ้อนระหว่างข้อมูลจีโนไทป์และข้อมูลลักษณะ และแบบจำลองการเลือกจีโนมทั้งองุ่นตัวแรกถูกสร้างขึ้นโดยใช้ชุดข้อมูลการฝึกอบรม การวิจัยได้ปรับพารามิเตอร์ของแบบจำลองเพิ่มเติมผ่านชุดการตรวจสอบความถูกต้องเพื่อปรับแบบจำลองให้เหมาะสม และสุดท้ายชุดข้อมูลทดสอบถูกใช้เพื่อประเมินประสิทธิภาพของโมเดลขั้นสุดท้าย ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าความแม่นยำในการทำนายคะแนนโพลียีนเชิงคำนวณที่รวมข้อมูลความแปรผันของโครงสร้างและโมเดลการเรียนรู้ของเครื่องนั้นสูงถึง 85%
ความแม่นยำในการทำนายลักษณะทางการเกษตรที่สำคัญได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ได้รับความอนุเคราะห์จาก Institute of Genomics, Chinese Academy of Agricultural Sciences ผู้เพาะพันธุ์สามารถประเมินศักยภาพทางพันธุกรรมของวัสดุในการผสมพันธุ์จำนวนมากได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ ส่งผลให้สามารถเลือกพันธุ์ที่ดีเยี่ยมได้ดีขึ้น เมื่อเทียบกับการผสมข้ามพันธุ์ซึ่งจำเป็นต้องตัดสินตามฟีโนไทป์ขององุ่นหลังโตเต็มที่ เทคโนโลยีการคัดเลือกพันธุ์ทั้งจีโนมสามารถทำนายลักษณะขององุ่นหลังโตเต็มที่ในระหว่างระยะต้นกล้า กำจัดต้นกล้าที่ไม่เหมาะสมให้เร็วที่สุด และลดสิ่งที่ไม่จำเป็น ต้นทุนค่าแรงและการลงทุนทำให้มีศักยภาพในการใช้งานที่ดีเยี่ยมในการปรับปรุงพันธุ์องุ่น ปรับปรุงประสิทธิภาพการปรับปรุงพันธุ์องุ่น เร่งการสร้างเชื้อพันธุกรรมองุ่นใหม่ และคิดค้นกลยุทธ์การปรับปรุงพันธุ์องุ่น ปัจจุบันผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้ยื่นขอและอนุมัติสิทธิบัตรการประดิษฐ์ระดับชาติ 6 ฉบับ และสิทธิบัตรสากล 1 ฉบับ การวิจัยได้รับการสนับสนุนจากโครงการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญแห่งชาติ กองทุนวิทยาศาสตร์แห่งชาติเพื่อเยาวชนดีเด่น (ต่างประเทศ) มูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติ และกองทุนพิเศษของรัฐบาลกลางเพื่อเป็นแนวทางในการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในท้องถิ่น
