光明日报北京11月6日电 记者杨舒从中国农业科学院深圳农业基因组研究所(岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心)获悉,该所周永锋团队提出了一种利用人工智能进行葡萄育种的新方法,相比传统方法,育种效率可提高4倍,大幅缩短葡萄育种周期。该研究有望实现葡萄的精准设计育种,加速葡萄品种创新,并为其他多年生作物育种提供方法参考。相关研究成果于11月4日发表在国际期刊《自然·遗传学》上。
中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员周永锋介绍,葡萄是多年生作物,种下一粒葡萄种子,从萌发到结出果实,大概需要3年。而想要培育出好的葡萄品种,需要更久。目前,育种界主要选择的方法仍是杂交育种,这种方法往往需要经过数十年的筛选,工作量极大,且由于葡萄基因组高度复杂,杂交后,后代的杂交效果往往并不理想。
21世纪以来,育种家提出分子育种,基于海量基因组的遗传变异数据进行分析预测,以提高育种效率和精确度。其中,获取全面、准确的作物基因组数据是关键。
周永锋团队自2015年开始聚焦葡萄设计育种,并于2023年发布了首个葡萄完整参考基因组图谱。随后,该团队又陆续进行测序、组装,构建了目前首个最全面、最准确的葡萄泛基因组。
为进一步弄清楚葡萄基因与性状之间的关联,周永锋团队从近万份葡萄品种中选取了400多份有代表性的葡萄品种,连续3年对包括果穗大小、果皮颜色等在内的29个农艺性状进行调查,构建了葡萄基因型图谱和性状图谱。在此基础上,周永锋团队利用数量遗传学分析,鉴定到148个与农艺性状显著相关的基因位点,其中122个位点为首次发现。
面对以上葡萄基因组和性状数据,周永锋团队引入人工智能中的机器学习技术,解析基因型与性状数据间的复杂网络关系,构建了首个葡萄全基因组选择模型。与杂交育种需要根据葡萄成熟后的表型作出判断相比,这种全基因组测序育种模式在葡萄幼苗时期,就可以通过计算机软件预测其成熟后的性状。结果表明,结合了结构变异信息的多基因评分预测模型,其预测准确率高达85%。
通过这一模型,育种专家可以快速准确地评估大量葡萄育种材料的遗传潜力,从而更好地选择优良品种。同时,尽早剔除不符合条件的幼苗,减少了不必要的成本投入,大大提高葡萄的育种效率。目前,相关研究成果已申请获批国家发明专利6项,已申请国际专利1项。
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