普渡大学-美国农业部团队开发植物性状遗传改良的快速通道流程

印第安纳州西拉斐特 – 有兴趣改善植物中给定性状的研究人员现在可以识别调节该性状表达的基因，而无需进行任何实验。

普渡大学的Kranthi Varala和10位合著者在4月23日的《美国国家科学院院刊》上发表了新的基于网络的调控基因发现工具的细节。Varala正在申请一项专利，该专利涉及与具有重要经济意义的种子油生物合成有关的结果。

普渡大学-美国农业部团队试图建立一种资源，从大量公开数据中学习，以快速确定哪些称为转录因子的特殊基因调节各种植物物种中给定性状的表达。

“每项研究都集中在其中的一小部分，”园艺和景观建筑助理教授瓦拉拉说。“我们的前提是，如果我们能把所有这些数据都放在一个单一的分析中，那么我们就可以利用这些数据来构建一些全球性的东西。

拟南芥是PNAS研究的模型植物，“但这种方法对拟南芥没有任何特异性，”Varala说。“这种方法足够通用，你可以从玉米数据集开始。你可以用水稻、西红柿，无论你正在种植什么作物，只要你有数千个人们已经完成的基因表达测量。现在有十几个物种，我们有数以万计的基因表达研究。

为了证明该系统有效，该团队专注于调节植物如何在种子中制造和储存油的遗传途径。该团队之所以选择这一性状，是因为它在食品和生物燃料生产中的重要性，并且因为所涉及的300多个基因已经为人所知。

通过遗传操纵植物的转录因子，研究人员可以增加或减少其种子中产生的油量。

像其他研究人员一样，瓦拉拉多年来从事了许多项目，他的目标是确定解决一个问题所涉及的基因和调节因子。这意味着要进行仔细、耗时的实验。但生成的数据未能提供他所寻求的所有答案。他将其比作计算方程式，只知道所涉及的 10 个因素中的三个。

“你无法解决方程式，”他说。同样，瓦拉拉经常想问比数据所能回答的问题更多的问题。这促使他建立了一个框架，该框架使用所有可能的数据来提出这些问题，而无需进行所有相关实验来获得需要基因验证的候选者列表。

“我正试图缩短最初的数据收集阶段，”瓦拉拉说，这样科学家就可以专注于进行基因验证。但要做到这一点，他的团队必须从一个基于18,000项个人研究的数据集开始。

瓦拉拉和他的团队使用贝尔和普渡大学罗森高级计算中心现已退役的布朗超级计算机分析了这个庞大的数据集。该团队构建了一个机器学习框架，以加快其他人的流程。

一个人不可能手动执行此操作。一个团队可以做到这一点，但这会在小组成员处理数据的方式上引入偏见。机器学习分类器无偏差运行。

这种方法的新颖之处在于，它不是提取与所有器官相关的数据，而是专注于器官特定的数据集。独立的基因网络调节这些器官——叶子、根、芽、花和种子。

“我们说，在人们多年来所做的种子实验中，我们可以使用所有数据来了解种子中发生的事情，而不一定是根、叶或花，而不是使用所有器官吗？这大大改善了我们的方法，“瓦拉拉说。

该团队使用一种称为推理方法的计算方法来预测哪些转录因子将调节拟南芥中的种子油生物合成过程。

“我们所知道的那些帮助我们验证我们的方法是否正确有效。我们不知道的那些是发现新生物学的好候选者，“瓦拉拉说。“这种纯粹的计算方法对种子或油或类似的东西一无所知。我们给了它一个基因列表，它能够在不知道任何生物学背景的情况下重新发现已知的基因。

该研究的主要作者、普渡大学园艺与景观建筑系博士后研究员拉吉夫·兰詹（Rajeev Ranjan）选取了前20名中的其他12名，并询问这些预测是否属实。“我们能够为这12个中的11个生成突变系。这11种中有5种确实改变了种子油的含量，“他说。“此外，我们还表明，一种因子的过表达使种子油增加12%。

八个已知的调控基因，加上八个新的调控基因，表明推断方法准确地识别了前20个候选基因中的13个。这种方法的优势在于，仅从基因列表中工作，它可以高精度地预测哪些基因将调节感兴趣的性状。

“这花了很长时间，因为这是一个漫长而复杂的过程，而且不能保证它会奏效，”瓦拉拉说。“以前从未尝试过这种规模的尝试。”

瓦拉拉已向普渡大学创新技术商业化办公室披露了这项创新，该办公室已申请专利以保护他的知识产权。

这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持。

关于普渡大学

普渡大学是一所公共研究机构，在规模上表现出卓越的表现。普渡大学跻身美国前 10 名公立大学之列，其中两所大学进入美国前四名，普渡大学以首屈一指的质量和规模发现和传播知识。超过 105,000 名学生在普渡大学学习各种模式和地点，其中包括近 50,000 名在西拉斐特校区亲自学习的学生。普渡大学的主校区致力于可负担性和可及性，已连续 13 年冻结学费。了解普渡大学如何永不停歇地追求下一个巨大飞跃，包括其在印第安纳波利斯的第一个综合性城市校园、新的 Mitchell E. Daniels， Jr. 商学院和 Purdue Computes——在 https://www.purdue.edu/president/strategic-initiatives。

作家： 史蒂夫·科普斯

媒体联络人： 莫琳·马尼尔（Maureen Manier），[email protected]

源： 克兰蒂·威克斯（Kranti Weeks），[email protected]

农业通讯： 765-494-8415;

Maureen Manier，[email protected] 部门主管

农业新闻页面