ИИ картирует избыточность генов для управления улучшением сельскохозяйственных культур

В связи с повышением глобальной температуры учёные лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL) работают над созданием более крепких и устойчивых сельскохозяйственных культур. Однако этот процесс непрост. У растений часто есть несколько родственных генов, контролирующих желаемые характеристики, такие как размер или устойчивость к засухе. Поиск генов с перекрывающимися функциями, или «лишних генов», — практически невыполнимая задача.

«В большинстве случаев на пути к улучшению сельскохозяйственных культур существуют серьёзные ограничения», — сказал Якопо Джентиле, постдок в лаборатории Закари Липпмана в CSHL. «Это связано с тем, что в эволюции генных семейств и их взаимодополняемости очень много избыточности и сложности».

Джентиле и его коллеги проследили одно важное семейство генов у цветковых растений, чтобы увидеть, как оно менялось на протяжении 140 миллионов лет эволюции. Используя эти данные, они обучили модели выявлять закономерности избыточности и предсказывать, какие гены следует редактировать для модификации конкретных признаков. Результаты опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution.

«Речь идёт о понимании того, что происходит после дупликации гена», — пояснил Джентиле. «У вас есть один ген, который дуплицируется. Затем их два. Что происходит после этого? Теория говорит, что они будут расходиться. Главный вопрос в этой области — как это произойдёт».

Чтобы ответить на этот вопрос, группа обратилась к CLE — семейству генов, участвующих в клеточной сигнализации и развитии растений. Пептиды CLE распространены у всех видов растений. Однако многое об их специфических функциях остаётся неизвестным. Их изучение затруднено из-за их короткой длины, быстрой эволюции и избыточности.

Используя новые достижения в области искусственного интеллекта , команда идентифицировала тысячи ранее неизвестных генов CLE у 1000 видов. Они ввели эти данные в компьютерные модели, которые выявили гены, которые могут быть избыточными. У избыточных генов, вероятно, есть сходство в одном или двух местах — в продуцируемых ими пептидах, или промоторах генов, областях ДНК, контролирующих экспрессию.

Чтобы подтвердить предсказания моделей , лаборатория Липпмана с помощью CRISPR выключила отмеченные гены у томатов. Как и предполагалось, удаление всего одного избыточного гена не дало никакого эффекта. Однако полное выключение генов привело к видимым изменениям в растениях.

«Это первый случай в томатах, когда мы одновременно воздействуем на такое большое количество генов», — сказал Джентиле. «Мы воздействовали на 10».

Примечательно, что команда обнаружила, что большинство избыточных генов имели схожие промоторы, даже если пептидные последовательности различались. Модель не только выявила возможные избыточные гены, но и предсказала, будут ли конкретные мутации CLE оказывать положительное, отрицательное или нейтральное воздействие на растения.

Джентиле заявил, что разработанный ими метод можно «легко масштабировать на любое семейство генов», а не только на CLE. В результате селекционеры растений получили «дорожную карту» для прогнозирования того, как скрытые гены могут быть использованы в их интересах.