利用基因組數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)的結(jié)果對(duì)系統(tǒng)生物學(xué)來說既是一個(gè)希望也是一個(gè)挑戰(zhàn)。研究人員一直致力于確定如何最好地利用現(xiàn)有的大量基因組數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)生物體如何對(duì)營(yíng)養(yǎng)、毒素和病原體暴露的變化作出反應(yīng),從而為作物改良、疾病預(yù)后、流行病學(xué)和公共衛(wèi)生提供信息。然而,從基因組規(guī)模的信息中準(zhǔn)確預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如此復(fù)雜的結(jié)果仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

在《自然通訊》的研究中,紐約大學(xué)的研究人員和美國(guó)與臺(tái)灣的合作者利用機(jī)器學(xué)習(xí)(一種用于檢測(cè)數(shù)據(jù)模式的人工智能)解決了這一挑戰(zhàn)。

玉米生長(zhǎng)在紐約大學(xué)基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)中心屋頂?shù)腞ose Sohn Zegar溫室。圖片來源：紐約大學(xué)Coruzzi實(shí)驗(yàn)室

“我們的研究表明,專注于跨物種表達(dá)模式進(jìn)化保守的基因,可以提高我們學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)主要作物生長(zhǎng)性能和動(dòng)物疾病結(jié)果的‘重要基因’的能力,”紐約大學(xué)生物學(xué)系和基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)中心的卡羅爾和米爾頓.皮特里教授,同時(shí)也是這篇論文的資深作者解釋道。

“我們的方法利用了物種內(nèi)或跨物種的全基因組表達(dá)和相關(guān)表型的自然變異,”紐約大學(xué)基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)中心和國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)的鄭家義補(bǔ)充說,他是這項(xiàng)研究的主要作者?！拔覀儽砻?刪繁就簡(jiǎn)基因組內(nèi)基因的表達(dá)模式是守恒的輸入和跨物種是一個(gè)生物原則方法來減少基因數(shù)據(jù)的維數(shù),這極大地提高了我們的機(jī)器學(xué)習(xí)模型的能力來確定哪些基因是重要的特征。”

作為概念的證明,研究人員證明了兩種不同植物(擬南芥,一種被廣泛用作植物生物學(xué)模式生物的小型開花植物；以及不同品種的玉米,美國(guó)種植最為廣泛的作物)之間對(duì)氮響應(yīng)的基因在進(jìn)化上是保守的,大大提高了機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)對(duì)植物有效利用氮有重要意義的基因的能力。氮是植物的重要養(yǎng)分,是肥料的主要成分；能更有效地利用氮的作物生長(zhǎng)得更好,需要的肥料更少,這對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境都有好處。

研究人員通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了8個(gè)主轉(zhuǎn)錄因子對(duì)氮利用效率的重要性。他們證明,改變擬南芥或玉米的基因表達(dá)可以促進(jìn)植物在低氮土壤中的生長(zhǎng),他們?cè)诩~約大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室和伊利諾伊大學(xué)的玉米地中進(jìn)行了測(cè)試。

伊利諾伊大學(xué)作物科學(xué)研究人員表示：“現(xiàn)在我們可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)哪些玉米雜交種更善于在田間使用氮肥,我們可以迅速改進(jìn)這一性狀。提高玉米和其他作物的氮素利用效率可以帶來三個(gè)主要好處：降低農(nóng)民成本,減少環(huán)境污染,減少農(nóng)業(yè)溫室氣體排放。”

此外,研究人員證明,通過預(yù)測(cè)植物的其他性狀,包括擬南芥和玉米的生物量和產(chǎn)量,這種基于進(jìn)化的機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以應(yīng)用于其他性狀和物種。他們還表明,通過研究小鼠模型,這種方法可以預(yù)測(cè)另一種主要作物水稻的抗旱性的重要基因,以及動(dòng)物的疾病結(jié)果。

Coruzzi指出:“因?yàn)槲覀冋故玖宋覀兊倪M(jìn)化信息管道也可以應(yīng)用于動(dòng)物,這突出了它的潛力,揭示了生物學(xué)、農(nóng)業(yè)或醫(yī)學(xué)中任何感興趣的生理或臨床特征的重要基因?！?/P>

許多重要的農(nóng)學(xué)或臨床特征在遺傳上一般非常復(fù)雜,因此很難確定它們的控制和遺傳。其研究證明了大數(shù)據(jù)和系統(tǒng)層面的思考可以讓這些困難挑戰(zhàn)變得容易應(yīng)對(duì)。