В условиях ускоряющегося изменения климата сельскохозяйственные культуры все чаще подвергаются стрессу из-за засух, жары и других экстремальных ситуаций. При этом усилия по адаптации растений наталкиваются на одну из главных загадок генетики: зачастую растения имеют сразу несколько связанных генов, контролирующих желаемые характеристики. А поиск генов с перекрывающимися функциями превращается в очень сложную задачу.

В такой ситуации ученые из Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) предложили прорывное решение, разработав основанную на ИИ вычислительную модель, позволяющую выявлять дублирующиеся гены и прогнозировать влияние их мутаций на растение.

Используя данные изменения генов цветковых растений за 140 млн лет эволюции, исследователи обучили модель выявлять закономерности избыточности и предсказывать, какие гены следует редактировать для изменения определенных характеристик.

Речь идет о понимании того, что происходит после дублирования генов. Представьте, что изначально у растения имеется какой-то один конкретный ген. В результате дублирования их становится уже два. Что происходит после этого? Согласно теории, они должны отличаться друг от друга. Но как?

Чтобы ответить на этот вопрос, команда ученых сосредоточилась на семействе генов CLE, участвующих в передаче клетками сигналов и в развитии растений. Пептиды CLE распространены у всех растительных видов. Однако многие из их специфических функций остаются неизвестными. Изучение этих генов затруднено из-за их небольшой длины, быстрой эволюции и избыточности.

Используя новые достижения в области искусственного интеллекта, команда идентифицировала тысячи ранее неизвестных генов CLE у различных видов растений. Компьютерные модели выделили гены, которые могут оказаться лишними. По всей вероятности, избыточные гены имеют сходство в одном или двух местах – в пептидах, которые они продуцируют, или в промоторах – областях ДНК, контролирующих активность генов.

Чтобы проверить точность прогнозов, исследователи применили методику CRISPR для одновременного отключения сразу 10 генов у помидоров, что является рекордным количеством для подобного эксперимента. Как и предсказывала модель, отключение одного гена не вызвало изменений, а вот совместное отключение дублёров привело к заметным аномалиям роста.

Было обнаружено, что большинство избыточных генов имеют схожие промоторы, даже если пептидные последовательности отличаются. Модель не только выявила возможные избыточности, но и предсказала, окажут ли определенные мутации CLE положительное, отрицательное или нейтральное воздействие на растения.

Разработанная методика универсальна и может быть применена к любому семейству генов. Это открывает перед селекционерами дополнительные возможности для целенаправленного улучшения культур, будь то увеличение урожайности, устойчивость к засухе или адаптация к повышению температуры.