• <table id="4yyaw"><kbd id="4yyaw"></kbd></table>
  • <td id="4yyaw"></td>
  • 發布時間:2022-09-22 19:42 原文鏈接: 機器學習技術加速植物精準設計育種

    種子被譽為農業的“芯片”,育種科技創新是推動農業發展的核心動力。未來植物育種的新范式是基因組學、基因編輯、合成生物學等生物技術(BT)與數據科學、機器學習、人工智能等信息技術(IT)的多元化融合。農業農村部“十四五”規劃將“智慧種業”列在“智慧農業”領域七大攻關任務之首。任務中明確提出:構建數字化育種平臺,探索基因型到表型的“智能育種技術體系”,加快“經驗育種”向“精確育種”轉變的攻關目標。

    9月21日,Cell旗下的植物科學領域頂級綜述類期刊Trends in Plant Science在線發表了中國農業大學分子設計育種前沿科學中心、國家玉米改良中心王向峰教授與閆軍副教授共同撰寫的特邀綜述:“Machine learning bridges omics sciences and plant breeding”。該綜述準確定義了“精準育種”的含義,并將“精準設計育種”劃分為“知識驅動的分子設計育種”與“數據驅動的基因組設計育種”。論文重點闡述了機器學習技術如何將“知識”與“數據”轉化成為育種服務的驅動力,以及如何為基礎研究與育種實踐之間建立橋梁,加速實現植物領域的精準設計育種。

    最近幾十年,植物生物學基礎研究產生了大量新的知識和數據,這些知識與數據最終將為植物育種與性狀改良而服務。然而,實現植物精準設計育種的終極目標,還需要解決當前植物基礎研究與育種實踐脫節的問題。作為人工智能的一個分支,機器學習技術因其在整合復雜多變的生物學知識和組學大數據方面的卓越能力而得到廣泛應用。

    A.jpg

    “知識”與“數據”驅動的精準設計育種。   王向峰供圖

    機器學習主要可以通過兩種途徑在基礎研究和育種實踐中建立橋梁。一種途徑是從植物生物學的基礎研究中認識基因功能和調控機制,從而實現知識驅動的分子設計育種。在明確性狀調控基因的功能后,通過分子標記輔助選擇、有利等位基因的多基因聚合、基因編輯與合成生物學等技術,對植物品種進行定向改良。另一種途徑是直接將機器學習技術應用于商業育種管線,構建各種預測模型和決策算法,從而實現數據驅動的基因組設計育種。

    這兩種途徑在現代商業化育種管線中相互結合并發揮著重要作用。現代育種管線的選擇取決于與性狀相關的基因或位點的數量:對于主要由遺傳背景決定的數量性狀,如:產量、生物量、環境適應性等性狀,通常采用數據驅動模型來推斷表型與全基因組標記之間的相關性;對于由遺傳前景決定的多基因性狀,如抗病、品質等性狀,必須首先明確性狀調控基因的分子功能及作用途徑,才能將多個基因的優良等位變異精準聚合;對于單基因性狀而言,應用基因編輯是人工制造突變,則是性狀改良的最佳快捷方式。事實上,只要在植物生物學和育種方面積累了足夠的知識與數據,機器學習技術便可以發揮功效以推動植物精確設計育種目標的實現。

    B.jpg

    各類機器學習算法在植物多組學研究中的應用      王向峰供圖

    論文首先介紹了現代機器學習技術的主要類型(包括監督式學習、半監督式學習、非監督學習、深度學習等)與最新進展;其次,綜述了如何將現代機器學習算法應用于高維多組學數據降維、基因調控網絡推斷、多組學數據關聯分析與基因挖掘,以及候選基因的優先級決策等植物學基礎研究中;再次,介紹了基于半監督學習框架的深度學習算法在植物表型組學中的應用進展;最后,介紹了機器學習技術在全基因組選擇輔助育種、基因型到表型預測,以及基因型與環境互作建模中的應用進展。在論文的結論與展望部分,討論了目前機器學習和人工智能技術在植物研究中面臨的挑戰和潛在解決方案。

    此外,本綜述還提供了一個應用非監督學習案例,即:如何利用NMF非負矩陣分解算法提高玉米多組學數據關聯分析的效率與基因挖掘的精度。

    C.jpg

    案例:應用NMF降維算法提高基因挖掘的效率   王向峰供圖

    相關文章

    科研人員提出機器學習輔助的“材料—結構—功能”協同設計新策略

    近期,中國科學院合肥物質科學研究院在多功能電磁波吸收超結構研究方面取得進展。團隊提出機器學習輔助的“材料—結構—功能”協同設計策略,采用熔融沉積成型3D打印技術,將聚酰胺6/碳纖維復合材料(PACF)......

    植物體內天然“季節儀”精準感知四季更迭

    日本筑波大學研究人員最近發現,植物體內天生就自帶一款精密的“季節儀”。它由三種基因組成,像接力賽一樣輪流“上崗”,幫助植物精準預測季節更迭。相關論文發表于新一期《公共圖書館·綜合》雜志。如果植物僅僅對......

    植物如何用“內置空調”應對高溫

    隨著全球氣候變暖,熱浪頻發,植物面臨著嚴峻的生存挑戰。與動物不同,炎炎夏日,植物無法“挪窩”避暑,只能依靠自身的“內置空調”來應對高溫。科學家早就知道,植物葉片表面分布著許多微小的氣孔。當溫度升高時,......

    4.55億年前植物已開始大規模“登陸”

    確定早期植物何時在陸地開始擴張并對地球系統產生影響,是地球系統演化研究中的核心問題之一。中國科學院地質與地球物理研究所研究員趙明宇團隊發現了新的地球化學證據,表明陸地植物開始塑造地球表層環境的時間早于......

    我國學者在辣椒功能性雄性不育研究中取得進展

    雄性不育在植物繁殖和選擇性育種中至關重要,它不僅與花粉粒的活力相關,還與花粉粒是否正常釋放密切有關。近日,四川農業大學園藝學院教授李煥秀蔬菜種質資源創新與新品種選育團隊在PLOSGenetics上發表......

    新觀點首提植物吸收鐵第三種策略是微生物鐵載體

    近日,南京農業大學沈其榮團隊LorMe實驗室教授韋中聯合中國農業大學張福鎖團隊研究員顧少華、教授左元梅,西南大學柑桔研究所副研究員王男麒和蘇黎世大學定量生物醫學系教授 RolfKümmerl......

    植物吸收二氧化碳的能力遠低于氣候模型預測

    大氣中二氧化碳含量過高是導致氣候變化的主要因素。同時,二氧化碳濃度上升能夠促進植物加速生長,從而吸收更多的碳,并有可能減緩全球變暖進程。然而,這種益處的實現取決于植物能否獲得足夠的氮元素,后者是植物生......

    中國科學院發布A類先導專項“種子精準設計與創造”系列成果

    12月22日,中國科學院A類先導專項“種子精準設計與創造”系列科研成果在北京發布,系統展示了專項通過創建精準設計育種新范式,在打造種業振興的“中國芯”方面取得的系列突破。六年攻關,實現全鏈條突破種子專......

    研究揭示人類世全球植物β多樣性變化

    生物同質化,即不同地區生物群落日趨相似,導致生物獨特性喪失,已成為生態學關注的核心問題。人類活動在多大程度上導致了全球植物群落的同質化,仍是一個懸而未決的科學問題。中國科學院成都生物研究所研究團隊整合......

    植物干細胞命運決定研究獲進展

    植物能夠持續萌發新的枝、葉、花與果實,以頑強的生命力激發人們對生命永續的遐想。這一生命律動都源于核心細胞群——植物干細胞。它們分布于莖頂端、根尖等“生長中樞”,通過精確的分裂與分化,繪制植物生長藍圖。......

  • <table id="4yyaw"><kbd id="4yyaw"></kbd></table>
  • <td id="4yyaw"></td>
  • 调性视频