«Определив гены, важные для использования азота, мы можем отобрать или даже модифицировать определенные гены для повышения эффективности использования азота основными культурами США, такими как кукуруза», - сказала Глория Коруцци, профессор кафедры биологии им. Кэрролла и Милтона Петри Нью-Йоркского университета и Центра геномики и системной биологии, а также старший автор исследования, опубликованного в журнале The Plant Cell .
За последние 50 лет фермеры смогли вырастить более высокие урожаи сельскохозяйственных культур благодаря значительным улучшениям в селекции растений и удобрениях, в том числе за счет повышения эффективности поглощения и использования растениями азота — ключевого компонента удобрений.
Тем не менее, большинство культур используют только около 55% азота из удобрений, которые фермеры применяют на своих полях, в то время как остальная часть попадает в окружающую почву. Когда азот просачивается в грунтовые воды, он может загрязнять питьевую воду и вызывать вредоносное цветение водорослей в озерах, реках, водохранилищах и теплых океанских водах. Кроме того, неиспользованный азот, который остается в почве, преобразуется бактериями в закись азота, мощный парниковый газ, который в 265 раз эффективнее удерживает тепло в течение 100 лет, чем углекислый газ.
Соединенные Штаты являются ведущим мировым производителем кукурузы. Эта крупная товарная культура требует большого количества азота для роста, но большая часть удобрений, которые вносятся в кукурузу, не усваивается и не используется. Низкая эффективность использования азота кукурузой представляет собой финансовую проблему для американских фермеров, учитывая растущие расходы на удобрения, основная часть которых импортируется, а также риск нанесения вреда почве, воде, воздуху и климату.
Чтобы решить эту проблему для кукурузы и других культур, исследователи Нью-Йоркского университета разработали новый процесс повышения эффективности использования азота, который объединяет генетику растений с машинным обучением - типом искусственного интеллекта , который обнаруживает закономерности в данных - в данном случае, чтобы связать гены с признаком эффективностью использования азота.
Используя подход «модель-культура», исследователи Нью-Йоркского университета отследили эволюционную историю генов кукурузы, общих с Arabidopsis, небольшим цветущим растением, часто используемым в качестве модельного организма в биологии растений из-за простоты его изучения в лаборатории с использованием возможностей молекулярно-генетических подходов. В предыдущем исследовании, опубликованном в Nature Communications, команда Коруцци определила гены, чья чувствительность к азоту сохранялась у кукурузы и Arabidopsis, и подтвердила их роль в растениях.
В текущем исследовании, самом последнем по этой теме, исследователи из Нью-Йоркского университета, опираясь на свою работу с кукурузой и Arabidopsis, определили, как эффективность использования азота регулируется группами генов, также известными как «регулоны», которые активируются или подавляются одним и тем же фактором транскрипции (регуляторным белком).
«Такие признаки, как эффективность использования азота или фотосинтез, никогда не контролируются одним-единственным геном. Прелесть процесса машинного обучения в том, что он изучает наборы генов, которые в совокупности отвечают за признак, а также может определить фактор или факторы транскрипции, которые контролируют эти наборы генов», — сказал Коруцци.
Сначала исследователи использовали секвенирование РНК для измерения того, как гены кукурузы и Arabidopsis реагируют на обработку азотом. Используя эти данные, они обучили модели машинного обучения для выявления генов, реагирующих на азот, сохраняющихся в сортах кукурузы и Arabidopsis, а также факторов транскрипции, которые регулируют гены, важные для эффективности использования азота (nitrogen use efficiency, NUE).
Для каждого «NUE Regulon» - фактора транскрипции и соответствующего набора регулируемых генов NUE - исследователи вычислили коллективный показатель машинного обучения, а затем ранжировали лучших по тому, насколько хорошо объединенные уровни экспрессии могли точно предсказать эффективность использования азота в сортах кукурузы, выращенных в полевых условиях.
Для высоко оцененных NUE Regulons исследователи использовали клеточные исследования как кукурузы, так и Arabidopsis, чтобы подтвердить прогнозы машинного обучения для набора генов в геноме, которые регулируются каждым фактором транскрипции. Эти эксперименты подтвердили NUE-регулоны для двух факторов транскрипции кукурузы (ZmMYB34/R3), которые регулируют 24 гена, контролирующих использование азота, а также для тесно связанного фактора транскрипции Arabidopsis (AtDIV1), который регулирует 23 целевых гена, разделяющих генетическую историю с кукурузой, которые также контролируют использование азота.
При передаче данных в модели машинного обучения эти сохраняющиеся от модели к урожаю NUE-регулоны значительно повысили способность ИИ прогнозировать эффективность использования азота для сортов кукурузы, выращиваемых в полевых условиях.
Выявление NUE-регулонов коллективных генов и связанных с ними факторов транскрипции, которые управляют использованием азота, позволит ученым-агрономам выводить или конструировать кукурузу, которой требуется меньше удобрений.
«Изучая гибриды кукурузы на стадии проростков, чтобы увидеть, высока ли экспрессия идентифицированных генов, важных для эффективности использования азота, вместо того, чтобы высаживать их в поле и измерять использование ими азота, мы можем использовать молекулярные маркеры для отбора гибридов на стадии проростков, которые наиболее эффективны в использовании азота, а затем высаживать эти сорта. Это не только приведет к экономии средств для фермеров, но и уменьшит вредное воздействие азотного загрязнения грунтовых вод и выбросов парниковых газов закиси азота», - говорит Коруцци.
Нью-Йоркский университет подал заявку на патент, охватывающий исследования и результаты, описанные в этой статье; предварительный патент также описывает использование технологии редактирования генов CRISPR для конструирования регулонов NUE в сельскохозяйственных культурах для повышения эффективности использования азота.
Источник: New York University. Автор: Рейчел Харрисон.
На фото - исследователи Тим Джефферс (слева) и Амари Хилл (справа) изучают выращивание кукурузы в мемориальной теплице имени Ирен Роуз Сон Зегар при Нью-Йоркском университете. Автор фото: Трейси Фридман/Нью-Йоркский университет.
