هناك سر لنكهة العنب. تستخدم أكاديمية العلوم الزراعية التعلم الآلي للكشف عن عملية إدخال الجينات

المحتويات في لمحة:يرتبط التسلل الجيني ارتباطًا وثيقًا بتدجين العنب وتحسينه وراثيًا. كشفت دراسات سابقة عن إشارات جينية لتسلل جين العنب البري إلى العنب المزروع في أوروبا، ولكن لم تتم دراسة توقيت وطريقة وأنماط الجينوم والآثار البيولوجية لهذه الأحداث بعمق. في هذه المقالة، استخدم باحثون من معهد شنتشن لعلم الجينوم الزراعي، التابع للأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية، أساليب التحليل الجيني السكاني القائمة على التعلم الآلي لتحليل بيانات إعادة التسلسل للعنب المزروع والبري، وهو أمر ذو أهمية كبيرة لتربية العنب.

الكلمات المفتاحية:التداخل الجيني تدجين العنب التعلم الآلي

نُشرت هذه المقالة لأول مرة على منصة HyperAI WeChat العامة~

يشير التسلل الجيني إلى العملية التي يتم من خلالها إدخال الجينات من نوع أو مجموعة سكانية إلى نوع آخر.يحدث عادة أثناء التهجين والتبادل بين الأنواع المختلفة. في عملية إدخال الجينات، تدخل الجينات الأجنبية إلى مجموعة الجينات الخاصة بالأنواع المستهدفة من خلال التهجين وتختلط مع الجينات الأصلية للأنواع المستهدفة.يمكن أن يؤدي هذا التداخل إلى تغييرات في جينوم الأنواع المستهدفة، واكتساب تباين وتنوع جيني جديد.

يشير التداخل الجيني في العنب إلى عملية تبادل الجينات وتدفق الجينات بين العنب البري (Vitis vinifera ssp. sylvestris) والعنب المزروع (V. vinifera ssp. vinifera).تحت تأثير الطبيعة والانتقاء الاصطناعي، يحدث تبادل الجينات بين العنب البري والعنب المزروع، مما يؤدي إلى ظهور الخصائص الوراثية للعنب البري في العنب المزروع.

في الآونة الأخيرة، قام باحثون من معهد شنتشن لعلم الجينوم الزراعي التابع للأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية بدراسة تاريخ التداخل بين العنب المستأنس وأقاربه البرية الأوروبية. وباستخدام نهج علم الوراثة السكانية القائم على التعلم الآلي، كشف الباحثون عن آلية تكوين نكهة العنب وقدموا رؤى متعمقة حول خصائصه الجينية وتأثيرها على تربية العنب.وقد تم نشر نتائج البحث حاليا في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم، تحت عنوان "التسلل التكيفي وغير التكيفي في تدجين العنب".

وقد نشرت نتائج البحث في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

عنوان الورقة:

https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2222041120

مجموعة البيانات

قام الباحثون بتحليل مجموعة مكونة من 345 عينة متسلسلة، بما في ذلك عنب النبيذ وعنب المائدة، والتي تغطي نطاق التوزيع الجغرافي الواسع للعنب البري.وشملت هذه الأنواع 72 نوعًا من العنب البري (V. vinifera ssp. sylvestris) من أوروبا، و36 نوعًا من العنب البري من الشرق الأوسط والقوقاز، و231 نوعًا من العنب المستأنس (V. vinifera ssp. vinifera)، بالإضافة إلى Vitis californica (n = 3) و Muscadinia rotundifolia (n = 3) التي تمثل الأنواع الخارجية في أمريكا الشمالية. بالإضافة إلى ذلك، قام الباحثون بأخذ عينات من العنب البري الأوروبي لتغطية مناطق التوزيع المتوقعة في أوروبا والشرق الأدنى.

تم إيداع البيانات (تسلسل الجينوم؛ النص البرمجي) في GitHub:

https://github.com/zhouyflab/Grapevine_Adaptive_Maladaptive_Introgression

النتائج التجريبية

تاريخ التداخل 

أولاً، قام الباحثون بتقييم الاختلافات بين العنب البري الأوروبي وعنب النبيذ وعنب المائدة للحصول على نظرة ثاقبة حول تاريخ السكان والتدجين.من الجدير بالذكر أن العنب البري الأوروبي (EU sylvestris) يشكل مجموعة مميزة، ويشترك في عدد قليل من مكونات الخلط مع عنب النبيذ.

الشكل 1. مقارنة بين أصناف العنب المختلفة

أ:الشجرة التطورية لتحليل الخليط.

في علم النشوء والتطور، تعكس ألوان الفروع المجموعات المختلفة: ME 1، الأصفر؛ ME 2، أرجواني؛ العنب البري، بني محمر؛ عنب النبيذ، الأزرق؛ عنب المائدة، أخضر. رسم بياني للخليط، K = 6. وتُظهر النقاط الحمراء والمثلثات الزرقاء على الجانب الأيمن من الشكل ما إذا كانت البلاستيدات الخضراء أو الميتوكوندريا من المجموعات الصالحة للأكل أو مجموعات صناعة النبيذ، على التوالي، قد نشأت بوضوح من العنب البري الأوروبي.

ب:تحليل المكونات الرئيسية للمجموعات الخمس.

ج:التباين الزيجوتي للمجموعات الخمس.

د:نتائج المحاكاة الأمامية تحت أنواع الانتشار المختلفة. تمثل الخطوط الزرقاء التهجين الخارجي، في حين تمثل الخطوط البرتقالية التكاثر الاستنساخي.

يوضح الشكل 1 أن عنب النبيذ وعنب المائدة تباعدا في وقت مبكر من تطورهما، مما يشير إلى أن لكل منهما استخدامات مميزة. وأظهرت عينات العنب البري أيضًا مجموعات أحادية النمط، ولكن تم تقسيمها إلى ثلاث مجموعات مختلفة: العنب البري الأوروبي (EU)، والعنب حول بحر قزوين (ME 1)، والعنب في الهلال الخصيب بالقرب من البحر الأبيض المتوسط (ME 2). وقد تم تأكيد التمايز بين هذه السكان أيضًا من خلال تحليل المكونات الأساسية (PCA) وتقدير نسبة المكونات الأصلية.كانت نسبة التباين الزيجوتي في عنب النبيذ وعنب المائدة (كلاهما 0.24) أعلى من تلك الموجودة في الأنواع البرية (0.17 في أوروبا، و0.20 في ME1، و0.22 في ME2)، وقد يكون ذلك بسبب تراكم الطفرات غير المتجانسة الناجمة عن أحداث التسلل التاريخية والتكاثر اللاجنسي طويل الأمد.

اتجاه إدخال الجينات 

وبناءً على نموذجهم الأولي، قام الباحثون بتقدير 34 نمطًا محتملًا لتدفق الجينات بين عنب المائدة وعنب النبيذ والعنب البري الأوروبي.وبناءً على أفضل نموذج، استنتج fastsimcoal أن العنب البري الأوروبي انحرف منذ حوالي 40 ألف عام.

الشكل 2: اختبار التسلل

الوقت (T) في الفروع الأفقية هو وقت التباعد لكل مجموعة (سنوات)، وTi يمثل وقت بدء التداخل المستنتج.

الأرقام الموجودة في الأسفل هي أحجام السكان الفعلية المقدرة (Ne) لكل مجموعة.

يوضح الشكل 2 أنه وفقًا لأفضل نموذج، استنتج fastsimcoal أن مجموعة الاتحاد الأوروبي تباعدت منذ حوالي 4 × 104 عامًا؛ بدأت عملية تدجين العنب المائدة منذ وقت مبكر يصل إلى 1.5 × 104 سنة؛ والعنب المخصص للنبيذ انفصل عن العنب المخصص للمائدة منذ حوالي 1.0 × 104 سنة. تشير النماذج إلى أن تدفق الجينات بين السكان البرية والمستأنسة في أوروبا بدأ منذ 1.8 × 103 سنة.بالإضافة إلى ذلك، أظهر النموذج الأفضل ملاءمة أيضًا أن احتمالية تدفق الجينات من مجموعات الحيوانات البرية الأوروبية إلى مجموعات الحيوانات المستأنسة كانت عالية، حيث كان معدل الهجرة إلى عنب النبيذ (1.7 × 10−4) خمسة أضعاف معدل الهجرة إلى عنب المائدة (3.8 × 10−5).

منطقة التداخل 

استخدم الباحثون أساليب التعلم الآلي لتحديد المناطق المتضمنة في جينوم العنب، بالإضافة إلى السمات الجينومية لهذه المناطق.

الشكل 3:ثلاثة جينات في المنطقة المتداخلة

تم تحديد مناطق التداخل المفترضة التي تنبأ بها فيليه بخطوط سوداء على الكروموسومات التسعة عشر.

تمثل الألوان الثلاثة الجينات الموجودة في مناطق التداخل الثلاثة.

أحمر:الجينات المرتبطة بالإزهار

أخضر:الجينات المرتبطة بالمركبات العطرية

أزرق:جينات الاستجابة للإجهاد.

أجرى الباحثون دراسة وظيفية لجينات اختيار التداخل عبر الجينوم بأكمله.والتركيز على الجينات المرتبطة بالإزهار، والجينات المرتبطة بالنكهة، والجينات المرتبطة باستجابة الإجهاد.يوضح الشكل 3 أن العديد من الجينات المرتبطة بالإزهار كانت تحت الاختيار بعد التسلل، تليها الجينات المرتبطة بالمركبات العطرية. كان إثراء معظم فئات GO مرتبطًا أيضًا بالنكهة، بما في ذلك عملية تحلل اللجنين، وعملية تحلل L-فينيل ألانين، وعملية تخليق حمض السيناميك.لذلك، استنتج الباحثون أن التداخل التكيفي بين عنب النبيذ والعنب البري الأوروبي أثر في المقام الأول على السمات المرتبطة بالنكهة.

لفهم ديناميكيات التسلل بين الأليلات،أجرى الباحثون عمليات محاكاة متقدمة للتسلل من التزاوج الخارجي إلى التكاثر الاستنساخي.

الشكل 4:SFS للـ SNPs المفيدة والضارة في المناطق غير المتداخلة والمناطق المتداخلة

هـ:العدد الإجمالي للأليلات المتداخلة في كامل السكان المتداخلين

ف:عدد الأنواع المختلفة من الأليلات المتداخلة في كامل السكان المتداخلين

ج:SFS للأليلات المفيدة والضارة المتداخلة في الجيل 500 من مجموعة التهجين الخارجي

ح:SFS للأليلات المفيدة والضارة التي تم إدخالها في الجيل 500 من مجموعة الاستنساخ

وتوصلت الدراسة إلى أنه بعد التهجين، زاد العدد الإجمالي للأليلات الداخلة (بما في ذلك الأليلات المفيدة والضارة) حتى تم الوصول إلى التوازن. تشير هذه المحاكاة إلى أن المشهد الخاص بالأليلات المتداخلة يمكن أن يختلف بشكل كبير بين الأنظمة المستنسخة والأنظمة المتصالبة. يلعب التسلل دورًا مهمًا في تجنيد المتغيرات المفيدة والضارة، والتي قد تصبح أهدافًا رئيسية لتصميم الجينوم في زراعة الكروم، بما في ذلك القضاء على المتغيرات الضارة المحتملة أثناء التكاثر الجنسي.

AGIS: التركيز على الابتكار في التكنولوجيا الزراعية

ومن الجدير بالذكر أن العديد من مؤلفي هذه الورقة البحثية هم من معهد شنتشن لعلم الجينوم الزراعي، التابع للأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية.تأسس معهد الجينوميات في عام 2014. ويجمع المعهد بين علم الأحياء وعلوم البيانات الضخمة لفهم الجينومات البيولوجية الزراعية والاستفادة منها لخدمة الإنتاج الزراعي العالمي.تتمثل الرؤية طويلة المدى لمعهد الجينوميات في تعزيز الزراعة العالمية المستدامة من خلال الابتكار التكنولوجي، وتقديم نظام إمداد غذائي شخصي، وتحسين الصحة البشرية والوضع الاجتماعي للمزارعين.

نشر معهد الجينوميات أكثر من 620 ورقة بحثية في مجلات مرموقة بما في ذلك Science وNature وCell، وهو في طليعة العالم في مجالات بحثية مثل الجينوميات الزراعية.وبالإضافة إلى دراسة مشكلة التسلل الجيني في العنب، نشر المعهد أيضًا نتيجتين بحثيتين أخريين تتعلقان بجينات العنب. ولم يكتفِ المشروع بالتعاون مع العلماء في الداخل والخارج لرسم خريطة الجينوم الكاملة للعنب لأول مرة فحسب، بل كشف أيضًا عن التأثيرات على مستوى الجينوم وآليات التكيف المناخي لمقاومة العنب البري لمرض بيرس.

وقال المدير إن معهد الجينوميات لا يزال معهدًا بحثيًا جديدًا للغاية، ولا يزال أمامه طريق طويل لبناء معهد أبحاث زراعي على مستوى عالمي. سنعتمد على العصر الجديد والرحلة الجديدة والمهمة الجديدة، ونلتزم بـ "الجوانب الأربعة" للمساعدة في تحقيق الاعتماد الذاتي العلمي والتكنولوجي على مستوى عال، ومواصلة تقديم مساهمتنا في بناء "دولة زراعية قوية". في الوقت الحاضر، اقترح معهد الجينوميات بشكل مشترك بناء "وادي شنتشن الدولي للأغذية" مع الإدارات ذات الصلة في مدينة شنتشن. تمت الموافقة على الخطة من قبل الحكومة البلدية.سنعمل على بناء نظام بيئي للتعاون بين الصناعة الزراعية والغذائية والجامعات والبحوث في شنتشن وتقديم مثال رائد لكيفية مساهمة العلم والتكنولوجيا في دفع عجلة التحول والارتقاء بالصناعة الزراعية والغذائية.

الموقع الرسمي لمعهد الجينوميات:

https://www.agis.org.cn/index.htm

مراجع:

[1]https://www.163.com/dy/article/I6KVQLV205328VPM.html

[2]https://www.sohu.com/a/682674856_121124027

[3]https://www.caas.cn/xwzx/kyhd/60f2e9b4dff84bed9e315b7097aeb26b.htm

[4]https://www.agis.org.cn/bsgk/yjsjj/index.htm

[5]https://www.agis.org.cn/xwzx/kyjz/677aecae97c448c9bed7e89f95daae7f.htm