記者今天從中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院獲悉,該院生物技術(shù)研究所汪海博士與美國康奈爾大學(xué)愛德華?巴克勒院士團(tuán)隊(duì)合作,開發(fā)出從基因組DNA序列預(yù)測(cè)基因表達(dá)調(diào)控模式的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,該成果在分子育種領(lǐng)域的作用相當(dāng)于谷歌的“AlphaGo”之于圍棋,為實(shí)現(xiàn)人工智能輔助定向育種奠定了基礎(chǔ)。
這一研究成果已于近日在線發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊(PNAS)》上。
從蘋果的Siri到谷歌的AlphaGo,人工智能技術(shù)正在以席卷態(tài)勢(shì)進(jìn)入公眾的視野與生活。不過汪海表示,人工智能技術(shù)在基因組學(xué)研究中尚未得到廣泛的應(yīng)用,其中的一個(gè)需要解決的難題就是,生物中具有許多序列高度相似性的基因家族,在訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)將基因隨機(jī)分配到訓(xùn)練集和測(cè)試集中,會(huì)導(dǎo)致該模型優(yōu)先學(xué)習(xí)DNA序列中跟基因家族或進(jìn)化相關(guān)的基序,而不是真正決定基因表達(dá)調(diào)控的基序。
此次研究以基因家族代替單個(gè)基因?yàn)閱挝浑S機(jī)分配訓(xùn)練集和測(cè)試集數(shù)據(jù),成功建立了預(yù)測(cè)二元化基因表達(dá)量的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型;進(jìn)一步利用多種算法進(jìn)行解析,獲得了調(diào)控基因表達(dá)的關(guān)鍵DNA基序。在此模型基礎(chǔ)上,科研人員利用進(jìn)化上親緣關(guān)系較近的兩個(gè)物種,成功預(yù)測(cè)了同源基因的相對(duì)表達(dá)量,并進(jìn)一步獲得了調(diào)控同源基因相對(duì)表達(dá)量的關(guān)鍵DNA基序。
汪海研究團(tuán)隊(duì)表示,該研究建立的深度學(xué)習(xí)模型在基礎(chǔ)理論研究和作物設(shè)計(jì)育種中具有廣泛的應(yīng)用前景。比如,未來可以在計(jì)算機(jī)中對(duì)基因組DNA序列進(jìn)行虛擬誘變,并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)變異的后果,從中挑選符合預(yù)期目標(biāo)的變異序列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,從而實(shí)現(xiàn)低成本定點(diǎn)定向設(shè)計(jì)育種。