Команда вчених запропонувала інтегровану структуру, яка поєднує біотехнологію та штучний інтелект (ШІ). Мета – революціонізування селекції агрокультур, що є важливим кроком до забезпечення глобальних поставок продовольства та розвитку сталого сільського господарства.

Опублікований у журналі Nature огляд був написаний у співавторстві з професором Гао Цайся з Інституту генетики та біології розвитку Китайської академії наук, професором Лі Готянем з Хуачжунського сільськогосподарського університету, за участю інших співавторів, включаючи міжнародних партнерів.

З огляду на швидко зростаюче населення світу, посилення зміни клімату та скорочення площі орних земель, забезпечення продовольчої безпеки та сталого сільського господарства зараз є однією з найактуальніших проблем світу.

В огляді досліджується інтеграція мультиоміки, редагування геному, дизайну білків та високопродуктивного фенотипування (HTP) як частина комплексного бачення інтеграції “ШІ + BT” (біотехнологія) для генетичного покращення сільськогосподарських культур. Автори представляють перспективну рамкову схему для дизайну зародкової плазми сільськогосподарських культур за допомогою штучного інтелекту. Пропонується чітка дорожня карту для майбутнього сталого сільського господарства.

Науковці спочатку наголошують на фундаментальній ролі сучасних омік-технологій у створенні зміни парадигми в селекції сільськогосподарських культур. Вони показують, що досягнення в геноміці, метаболоміці та омік одноклітинних організмів пропонують безпрецедентне розуміння генетичних та біологічних механізмів, що впливають на ознаки агрокультур, водночас виявляючи точні нові цілі для покращення ознак. Зазначається, що технології HTP, які використовують дрони, сенсори та платформи автоматизації, дозволяють проводити швидкі та точні фенотипічні оцінки. Це має вирішальне значення для зв’язку генотипів з фенотипами та виявлення цінних генетичних варіацій.

В огляді також висвітлюються потужні інструменти для покращення сільськогосподарських культур. Наприклад, редагування геному на основі CRISPR дозволяє ефективно та точно модифікувати геном, значно скорочуючи цикли селекції. Це забезпечує швидке створення та нарощування бажаних ознак. А дизайн білків на основі штучного інтелекту стає трансформаційною технологією завдяки своїй здатності розробляти de novo функціональні білки, які не зустрічаються в природі. Такий підхід сприяє розробці нових білків, стійких до хвороб, біосенсорів у реальному часі для моніторингу сільгоспкультур та спеціалізованих ферментів для очищення навколишнього середовища, тим самим надаючи культурам трансформаційні ознаки.

В науковій роботі особливо зосереджена пропозиція щодо інтегративної моделі “дизайну сільськогосподарських культур за допомогою штучного інтелекту”. Вона використовуватиме ШІ для аналізу мультимодальних великих даних з геномів, фенотипів, середовищ та сільськогосподарських практик. Селекціонери визначатимуть конкретні цілі. Йдеться про збільшення врожайності, підвищення стійкості до стресу або покращення якості харчування. Штучний інтелект, своєю чергою, генеруватиме оптимізовані, технічно практичні стратегії селекції. Задля цього використовується глибоке навчання та висновки знань. Цей підхід, заснований на даних, знаменує собою перехід від селекції на основі досвіду до точного дизайну.

Автори також розглядають майбутні виклики. Високоякісні, стандартизовані дані є важливими для навчання надійних моделей штучного інтелекту. Йдеться, що нові технології мають відповідати нормам біобезпеки. Обнадійливо, що глобальні регуляторні рамки для культур з модифікованим геномом розвиваються в бік більш наукових та оптимізованих підходів. Це прокладає шлях для ширшого впровадження.

Науковий огляд було підтримано Великим національним науково-технічним проектом “Біологічна селекція”, Національною ключовою програмою досліджень та розробок, Національним фондом природничих наук Китаю, Міністерством сільського господарства та сільських справ Китаю та Науковим фондом “Новий наріжний камінь”.