IT之家 11 月 4 日消息，IT之家從中國(guó)農(nóng)科院基因組所官方微信公眾號(hào)獲悉，今日《自然?遺傳學(xué)（Nature Genetics）》在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）周永鋒團(tuán)隊(duì)利用人工智能進(jìn)行葡萄育種的最新研究成果。該研究將大幅縮短葡萄育種周期，且對(duì)葡萄農(nóng)藝性狀的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度高達(dá) 85%。相比傳統(tǒng)方法，育種效率可提高 400%。該研究有望實(shí)現(xiàn)葡萄的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種，加速葡萄品種創(chuàng)新，并為其他多年生作物育種提供方法參考。
周永鋒團(tuán)隊(duì)自 2015 年起，便開(kāi)始聚焦葡萄的設(shè)計(jì)育種工作，并于 2023 年發(fā)布首個(gè)葡萄端粒到端粒完整參考基因組圖譜，相關(guān)研究以封面文章發(fā)表在《園藝研究（Horticulture Research）》上。
然而，要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)“設(shè)計(jì)”，一個(gè)基因組數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在此基礎(chǔ)上，周永鋒團(tuán)隊(duì)又陸續(xù)對(duì)包括野生種和栽培品種在內(nèi)的 9 個(gè)二倍體葡萄品種進(jìn)行測(cè)序、組裝，得到 18 個(gè)端粒到端粒的單倍型基因組，并整合已有的基因組數(shù)據(jù)，構(gòu)建了目前首個(gè)最全面、最準(zhǔn)確的葡萄泛基因組（Grapepan v1.0），總長(zhǎng)度達(dá) 1.43Gb，是單個(gè)參考基因組大小的近 3 倍。
為了進(jìn)一步弄清楚葡萄基因與性狀之間的關(guān)聯(lián)，周永鋒團(tuán)隊(duì)從近萬(wàn)份葡萄品種中選取了 400 多份有代表性的葡萄品種，連續(xù) 3 年對(duì)包括果穗大小、漿果中代謝物含量、漿果大小和果皮顏色等在內(nèi)的 29 個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行調(diào)查，構(gòu)建了葡萄基因型圖譜和性狀圖譜。在此基礎(chǔ)上，周永鋒團(tuán)隊(duì)利用數(shù)量遺傳學(xué)分析，鑒定到 148 個(gè)與農(nóng)藝性狀顯著相關(guān)的位點(diǎn)，其中 122 個(gè)位點(diǎn)為首次發(fā)現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控不同性狀的位點(diǎn)間存在關(guān)聯(lián)性，如可溶性固形物含量和漿果寬度相關(guān)位點(diǎn)鄰近。此外，不同葡萄群體（釀酒、鮮食、美洲鮮食雜種）之間存在顯著分化的區(qū)域，這些區(qū)域中存在與漿果顏色、果皮澀味、漿果形狀、果穗重量、果肉硬度、果實(shí)大小等相關(guān)的多個(gè)性狀相關(guān)的遺傳位點(diǎn)，表明對(duì)農(nóng)藝性狀歧化選擇促進(jìn)了釀酒與鮮食葡萄的分化。
全面、準(zhǔn)確的基因組數(shù)據(jù)是精準(zhǔn)“設(shè)計(jì)”育種的基礎(chǔ)，而如何深入挖掘這些數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化育種策略并指導(dǎo)育種？是智能育種必須回答的問(wèn)題。周永鋒團(tuán)隊(duì)決定引入機(jī)器學(xué)習(xí)，通過(guò)構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，根據(jù)評(píng)分進(jìn)行早期個(gè)體的預(yù)測(cè)和選擇，從而指導(dǎo)、優(yōu)化育種策略。
在本研究中，研究人員將包含了性狀和基因型的數(shù)據(jù)劃分為三個(gè)子集：訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法解析基因型與性狀數(shù)據(jù)間的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，運(yùn)用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集構(gòu)建了首個(gè)葡萄全基因組選擇模型，研究進(jìn)一步通過(guò)驗(yàn)證集調(diào)整模型參數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，最后測(cè)試數(shù)據(jù)集評(píng)估最終模型的性能。研究結(jié)果表明，結(jié)合了結(jié)構(gòu)變異信息和機(jī)器學(xué)習(xí)模型的計(jì)算多基因評(píng)分預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá) 85%。
通過(guò)這一模型，育種家可以快速準(zhǔn)確地評(píng)估大量育種材料的遺傳潛力，從而更好地選擇優(yōu)良品種。與雜交育種需要根據(jù)葡萄成熟后的表型作出判斷相比，全基因組選擇育種技術(shù)在葡萄幼苗時(shí)期就可以預(yù)測(cè)其成熟后的性狀，盡早剔除掉不符合條件的幼苗，減少了不必要的人工成本和投入，在葡萄育種應(yīng)用中有很大的應(yīng)用潛力，提高葡萄育種效率，加速葡萄新種質(zhì)的創(chuàng)制，革新葡萄育種策略。
目前，相關(guān)研究成果已申請(qǐng)獲批國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利 6 項(xiàng)，已申請(qǐng)國(guó)際專(zhuān)利 1 項(xiàng)。
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