ИИ помог составить карту генной избыточности для улучшения сельскохозяйственных культур

Учёные из Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор (CSHL) разработали новую систему на основе искусственного интеллекта для идентификации избыточных генов в растениях. Это открытие может стать руководством для селекционеров, стремящихся создавать более устойчивые и продуктивные сельскохозяйственные культуры в условиях глобального потепления.

Сильно аномальный рост растения, вызванный мутациями в дублирующем гене CLV3. Постдок Iacopo Gentile разработал новую систему для выявления избыточных генов и прогнозирования влияния мутаций на признаки растений. Автор: Lippman lab/CSHL

Задача усложняется тем, что у растений часто есть несколько родственных генов, контролирующих важные признаки, такие как размер или устойчивость к засухе. Поиск генов с перекрывающимися функциями, или «избыточных генов», — чрезвычайно сложная задача.

«В большинстве случаев на пути улучшения сельскохозяйственных культур существуют серьёзные ограничения, — сказал Якопо Джентиле, постдок в лаборатории Закари Липпмана в CSHL. — Это связано с огромной избыточностью и сложностью того, как генные семейства эволюционируют и компенсируют функции друг друга».

Команда исследователей проследила за эволюцией одного важного генного семейства у цветковых растений за 140 миллионов лет. Используя эти данные, они обучили модели выявлять паттерны избыточности и предсказывать, какие гены нужно редактировать для изменения конкретных признаков. Результаты опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution.

Учёные сосредоточились на семействе генов CLE, которое участвует в клеточной сигнализации и развитии растений. Используя новые достижения в области ИИ, команда выявила тысячи ранее неизвестных генов CLE у 1000 видов. Компьютерные модели, обученные на этих данных, смогли определить гены, которые могут быть избыточными.

На графике показаны некоторые из множества биологических процессов, в которых участвуют пептиды CLE. Автор: Lippman lab/CSHL

Чтобы подтвердить предсказания моделей, лаборатория Липпмана «выключила» помеченные гены у томатов с помощью CRISPR. Как и предполагалось, удаление всего одного избыточного гена не дало эффекта, но одновременное «выключение» всех привело к видимым изменениям в растениях.

«Это первый случай в работе с томатами, когда было проведено такое масштабное одновременное воздействие на столько генов, — отметил Джентиле. — Мы нацелились на 10».

Важно, что команда обнаружила: большинство избыточных генов имеют схожие промоторы (участки ДНК, контролирующие экспрессию), даже если последовательности пептидов различаются. Модель не только выявляет возможную избыточность, но и предсказывает, будут ли конкретные мутации в генах CLE иметь положительное, отрицательное или нейтральное влияние на растение.

По словам Джентиле, разработанный метод можно «легко масштабировать на любое генное семейство», а не только на CLE. В результате у селекционеров появилась «дорожная карта» для прогнозирования того, как скрытые гены можно использовать с пользой.

Больше информации: Iacopo Gentile et al, Pan-Angiosperm Analysis of the CLE Signaling Peptide Gene Family Unveils Paths, Patterns, and Predictions of Paralog Diversification, Molecular Biology and Evolution (2025). DOI: 10.1093/molbev/msaf294

Источник: Cold Spring Harbor Laboratory