Máy học phát hiện 'gen quan trọng' giúp cây trồng cân đối phân bón

Máy học có thể xác định 'gen quan trọng' giúp cây trồng phát triển với ít phân bón hơn, biết thêm các tính trạng mới ở thực vật cũng như dịch bệnh trên động vật.

Hứa hẹn & thách thức
Nghiên cứu mới mẻ này còn được mong đợi sẽ có thể ứng dụng vào thực tế vượt ra ngoài lĩnh vực nông nghiệp.

n-1018_20211011_593-102231.jpeg

Ngô được trồng trong nhà kính thí nghiệm của Trung tâm gen và Sinh học Hệ thống, Đại học New York. Ảnh: NYU

Với việc sử dụng dữ liệu bộ gen vừa tìm thấy để dự đoán năng suất trong nông nghiệp và y học, giới chuyên gia đánh giá thành tựu từ công nghệ máy học này vừa là một hứa hẹn vừa là thách thức đối với hệ thống sinh học.

Hiện các nhà nghiên cứu vẫn đang tiếp tục làm việc nhằm xác định cách sử dụng hiệu quả nhất số lượng lớn dữ liệu bộ gen quan trọng này để dự đoán cách mà cây trồng phản ứng với những thay đổi về chế độ dinh dưỡng, độc tố và phơi nhiễm mầm bệnh. Từ đó sẽ có thể cung cấp những thông tin để cải thiện năng suất cây trồng, tiên lượng bệnh tật, dịch tễ học và sức khỏe cộng đồng.

Tuy nhiên, việc dự đoán một cách chính xác được những kết quả phức tạp như vậy trong nông nghiệp và y học từ thông tin quy mô bộ gen vẫn là một thách thức đáng kể. Theo công bố kết quả nghiên cứu về bộ gen mới, đăng trên tạp chí Nature Communications, các nhà khoa học và cộng sự ở Đại học New York (Mỹ) và Đài Loan đã giải quyết thách thức này bằng cách sử dụng công nghệ máy học, một lĩnh vực của trí tuệ nhân tạo để thăm dò, phân tích dữ liệu.

 “Nghiên cứu của chúng tôi đã chỉ ra rằng, việc tập trung vào các gen có các dạng biểu hiện được bảo tồn về mặt tiến hóa giữa các loài, giúp tăng cường khả năng nhận biết và dự đoán 'các gen có tầm quan trọng' đối với hiệu suất tăng trưởng của các loại cây trồng chính, cũng như hệ quả bệnh tật ở động vật", Milton Petrie, giáo sư Petrie tại Khoa Sinh học và Trung tâm Sinh học gen và hệ thống (Đại học New York), đồng tác giả nghiên cứu giải thích.

Ông Chia-Yi Cheng thuộc Đại học Đài Loan cho biết thêm: “Phương pháp tiếp cận của chúng tôi khai thác sự biến đổi tự nhiên của các biểu hiện trên toàn bộ bộ gen và các kiểu hình liên quan trong hoặc giữa các loài để xác định gen nào là quan trọng đối với từng tính trạng, đặc điểm của cây trồng”.

Máy học giúp bón phân cân đối
Nitơ (đạm khí) là chất dinh dưỡng quan trọng đối với cây trồng và là thành phần chính của phân bón. Một khi cây trồng sử dụng nitơ hiệu quả hơn sẽ phát triển tốt hơn và cần ít phân bón hơn, mang lại cả lợi ích kinh tế lẫn môi trường. 

b-1019_20211011_270-102232.jpeg

Ngô được trồng trong nhà kính thí nghiệm của Trung tâm gen và Sinh học Hệ thống, Đại học New York. Ảnh: NYU

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm xác nhận tám yếu tố phiên mã chính là gen quan trọng đối với hiệu quả sử dụng nitơ. Họ đã chỉ ra rằng sự biểu hiện gen bị thay đổi ở Arabidopsis hoặc ngô có thể làm tăng sự phát triển của cây trồng trên đất có hàm lượng nitơ thấp. Kết quả nghiên cứu đã được thử nghiệm cả trong phòng thí nghiệm tại Đại học New York và trên các cánh đồng ngô tại Đại học Illinois.

Các tác giả Stephen Moose, Alexander, giáo sư Khoa học Cây trồng tại Đại học Illinois, cho biết: “Bây giờ chúng ta có thể dự đoán một cách chính xác hơn giống ngô lai nào hấp thu phân đạm tốt hơn trên đồng ruộng. Việc tăng hiệu quả sử dụng đạm trong ngô và các cây trồng khác mang lại ba lợi ích chính gồm: giảm chi phí cho nông dân, giảm ô nhiễm môi trường, và giảm thiểu phát thải khí nhà kính từ sản xuất nông nghiệp".

Hơn nữa các nhà nghiên cứu đã chứng minh được rằng, thành tựu của công nghệ máy học được thông báo về mặt tiến hóa này có thể được áp dụng cho các đặc điểm và loài khác bằng cách dự đoán các đặc điểm bổ sung ở thực vật, bao gồm sinh khối và năng suất ở cả Arabidopsis và ngô. Họ cũng chỉ ra rằng cách tiếp cận này có thể dự đoán các gen có tầm quan trọng đối với khả năng chống hạn ở một loại cây trồng chủ lực khác là lúa gạo, cũng như kết quả của dịch bệnh ở động vật thông qua nghiên cứu trên chuột.

"Nhiều đặc điểm chính có tầm quan trọng về nông học hoặc lâm sàng là phức tạp về mặt di truyền và do đó rất khó để xác định khả năng kiểm soát và kế thừa của chúng. Thành công của chúng tôi chứng minh rằng, dữ liệu lớn và tư duy cấp hệ thống có thể khiến những thách thức nổi tiếng khó khăn này có thể giải quyết được", Ying Li, giảng viên tại Đại học Purdue nói.

Kết quả là các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng, các gen có khả năng đáp ứng với nitơ được bảo tồn về mặt tiến hóa giữa hai loài thực vật khác nhau. Một là Arabidopsis- một loài thực vật thuộc họ cải được sử dụng rộng rãi như một sinh vật mẫu trong sinh học thực vật và thứ hai là ngô- loại cây lương thực có diện tích lớn nhất của nước Mỹ, đều đã cải thiện đáng kể khả năng của các mô hình máy học để dự đoán các gen có tầm quan trọng đối với việc cây trồng sử dụng nitơ hiệu quả như thế nào.

 

Bình luận

Nhật Bản “tung” cà chua chỉnh sửa gen CRISPR giúp giảm căng thẳng

Giống cà chua do startup Nhật Bản phát triển chứa hàm lượng GABA cao gấp 5 lần bình thường và được cho là có thể giúp giảm căng thẳng.

Nhà kính hoàn thành mục tiêu kép trong nông nghiệp bền vững

Vừa giúp tăng năng suất cây trồng, vừa giảm chi phí canh tác và các khí thải ảnh hưởng môi trường, nhà kính được đẩy mạnh trên quy mô toàn thế giới.

Trung Quốc nuôi cấy thịt lợn đen bản địa thành công

Thịt nuôi cấy từ tế bào cơ lợn đen bản địa trong phòng lab sẽ giảm đáng kể tác động đến môi trường, tránh được các vấn đề phúc lợi động vật và bệnh tật.

Nhà khoa học trẻ và nhiệm vụ tìm giống chuối hoàn hảo cho Hawaii

Gabriel Sachter-Smith đang làm nhiệm vụ tìm ra giống chuối hoàn hảo cho Hawaii. Anh đã tìm được 200 giống chuối.

Người nuôi cừu Úc 'hốt bạc' nhờ nhu cầu da cừu từ Trung Quốc

Thời điểm này năm ngoái, da cừu hầu như không có giá trị; nhưng thiếu hụt nguồn cung và sự hồi sinh của nhu cầu từ Trung Quốc đã khiến giá tăng lên 11 USD/bộ.

Philippines gây tranh cãi vì cấp phép cho gạo vàng

Philipines vừa trở thành quốc gia đầu tiên trên thế giới cho phép sản xuất thương mại giống lúa Golden Rice (tạm dịch: Gạo Vàng) biến đổi gien, gây ra nhiều lo ngại về tính an toàn.

Trung Quốc tăng cường đổi mới công nghệ khoa học nông nghiệp

Viện Hàn lâm Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc vừa công bố chương trình hành động Kế hoạch 5 năm lần thứ 14 (2021-2025) nhằm tăng cường đổi mới công nghệ khoa học nông nghiệp.

Sản xuất thành công tế bào cà phê- hướng đi mới cho nền nông nghiệp

Các nhà khoa học lần đầu tiên phát triển tế bào cà phê trong lò phản ứng sinh học, mở ra xu hướng nông nghiệp tế bào trong bối cảnh tài nguyên đang cạn kiệt.

Nông nghiệp Úc sắp đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0?

Ngành nông nghiệp của Úc có thể đạt mức giảm phát thải là 40% vào năm 2030, 60% vào năm 2035 và đạt mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2040.

"Chỉnh sửa” gen cây trồng để nâng cao giá trị dinh dưỡng và kinh tế

"Chỉnh sửa" gen cây trồng mang lại nhiều lợi ích về giá trị dinh dưỡng, kinh tế và khả năng chống chịu với điều kiện bất thuận của môi trường