Штучний інтелект допоміг знайти маркери стійкості до хвороби жовтого листя цукрової тростини
Хвороба жовтого листя-основна проблема для виробників цукрової тростини в Бразилії. Вона викликається вірусом, стійким до термічної обробки. Заражену плантацію можна врятувати, тільки вирощуючи саджанці в лабораторії і потім їх висаджувати, що є трудомістким процесом, що вимагає спеціалізованої інфраструктури та персоналу.
На думку групи вчених, які довгий час вивчали цю проблему, найбільш ефективним способом боротьби з хворобою є розробка сортів, стійких до вірусу жовтого листя цукрової тростини. Це мета проекту, який проводиться за підтримки FAPESP.
Вчені Державного університету Сан-Паулу та політехнічного інституту ЕСПОЛА в Еквадорі провели дослідження, а результати опублікували в журналі Scientific Reports.
Експерти використовували досягнення генетики, машинне навчання для уточнення і прискорення пошуку молекулярних маркерів стійкості до хвороби.
Група виявила, що стійкі сорти в основному являють собою різновиди так званого енергетичного очерету з більш високим вмістом клітковини і меншим вмістом цукру. Отже, такі рослини найбільш підходять для виробництва целюлозного етанолу, хоча принаймні один з них підходить для виробництва цукру або звичайного етанолу.
Дослідники оцінили 97 генотипів цукрового очерету, включаючи дикі зародки цукрового очерету лікарського, S. spontaneum і S. robustum, традиційні клони цукрового і енергетичного очерету і комерційні сорти, розроблені бразильськими селекційними програмами.
"Ми проаналізували стійкість кожного з цих сортів до захворювання жовтим листям. Мета полягала в тому, щоб пов'язати стійкість до хвороб з генетичними особливостями. Ми використовували кілька різних молекулярних маркерів, які представляють варіації ДНК, використовуючи послідовність наступного покоління для доступу до цієї інформації",-сказав Рікардо Пімента, докторський дослідник центру молекулярної біології та генної інженерії UNICAMP (CBMEG).
Сорти були відібрані в рамках програми селекції очерету IAC. Більшість з них були частиною програми, але були також зразки з міжуніверситетської мережі з розвитку цукрової та етанольної промисловості (RIDESA) та центру технологій цукрової тростини (CTC).
Симптоми хвороби жовтого листя цукрової тростини зазвичай проявляються на більш пізніх стадіях розвитку рослини. Основним симптомом є інтенсивне пожовтіння середини листя. Хвороба змінює ефективність фотосинтезу, а також метаболізм і доставку сахарози в клітини рослин, при цьому погіршується їх зростання і врожайність.
За словами Піменти, в статті описується експериментальна процедура, яка ніколи раніше не робилася.
"Вірус жовтого листя передається цукровою попелицею Melanaphis sacchari», - сказав він. - "Команда МАК посадила експериментальні ділянки і в той же час виростила тлю на рослинах, вже заражених вірусом. Потім тлю випускали на незаражені плантації і контролювали контрольований процес щеплення і зараження. У попередніх дослідженнях використовувався аналогічний підхід, за винятком того, що наші попередники посадили очерет і залишили його зараженим природним шляхом, так би мовити, в менш контрольованому процесі щеплення».
Вірусне навантаження вимірювали методом зворотної транскрипції-кількісної полімеразної ланцюгової реакції (RT-qPCR).
«Ми використовували ПЛР для кількісного визначення вірусу у всьому наборі проаналізованих сортів очерету", - пояснив Пімента. Тяжкість захворювання оцінювалася за інтенсивністю пожовтіння листя та інших симптомів, які часто можуть бути невиразними.
Щоб встановити зв'язки між стійкістю до хвороб і генетичними ознаками, дослідники використовували геномні методи, машинне навчання (процедура штучного інтелекту, заснована на розпізнаванні образів), відбір ознак і методи асоціації маркерних ознак.
«Те, що ми зазвичай знаходимо в дослідженнях геномних асоціацій, - це маркери, які сильно впливають на фенотип [спостережувані характеристики]. Це проблема, тому що ви не можете знайти інших, які мають менший вплив на фенотип. Вибір ознак фіксує маркери, які впливають на фенотип у більш вузькому сенсі, тому ми використовували цю техніку для більш ефективного скринінгу молекулярних маркерів", - сказав Олександр Хільд Аоно, також дослідник CBMEG.
Машинне навчання використовувалося для побудови моделі, яка передбачала, чи є сорт стійким або сприйнятливим до вірусу, враховуючи зазначені генетичні маркери.
"Для цього алгоритми спочатку повинні оцінити маркери як "дуже важливі" або "менш значущі" для цілей прогнозування. Тому питання полягало в наступному: якщо система високо оцінює певні маркери, чи впливають вони також на фенотип? Наше розслідування підтвердило, що це дійсно так», - сказав Аоно. «Ми об'єднали різні методології і досягли успіху в фільтрації і відборі маркерів, що володіють найбільшим потенціалом для безпосереднього впливу на конфігурацію захворювання, навіть якщо вони можуть бути не особливо помітними [з точки зору впливу на фенотип]».
Вчені порівняли методології і продемонстрували ефективність і необхідність використання більш досконалого статистичного підходу. Ніщо в літературі не вказує на те, що хто-небудь коли-небудь проводив такий аналіз або вирощував тлю, заражав рослини, а потім вимірював вірусне навантаження за допомогою кількісної ПЛР. Отримані результати служать основою та керівництвом для майбутніх досліджень, сприяючи кращому розумінню молекулярного механізму, пов'язаного з цим захворюванням.
При цьому вчені з'ясували, що дійсно стійкі рослини, які не проявляють симптомів або не накопичують вірусне навантаження, складають невелику частку від загального числа. Таким чином результати дослідження допоможуть визначити до патогену сприйнятливі сорти, а також стійкі сорти, які накопичують вірусне навантаження без прояву симптомів і можуть стати резервуаром вірусу.
Багато стійкі сорти є представниками енергетичного очерету.
"У них є недавній "дикий" предок, який більш стійкий до хвороб, так що цей результат не є несподіванкою. Але ми також виявили велику кількість комерційних сортів, які виявилися стійкими, і вони більш цікаві. Один з них, IACSP04-6007, виявився настільки багатообіцяючим, що його запустила Селекційна програма IAC», - сказав Пімента.
P.S. На нашому сайті Ви можете переглянути перелік сортів, які зареєстровані в Україні. Також Ви можете переглянути оголошення щодо їх продажу або розмістити своє.
Також читайте: