Как компьютеры используются для взлома винограда
Это знакомое зрелище в университетах и энологических учреждениях по всей стране: ряды виноградных лоз, олицетворяющие годы работы, каждая с надеждой изменить винодельческую промышленность к лучшему.
На первый взгляд кажется, что методы выращивания винограда не сильно изменились за столетия. Селекционеры удобряют одну лозу пыльцой другой, надеясь получить потомство, которое будет противостоять болезням и даст качественный виноград.
Но за кулисами исследования в области селекции винограда все больше полагаются на компьютеры, которые анализируют генетические данные. Есть надежда, что это увеличит скорость разработки новых сортов винограда и обеспечит жизнеспособность винодельческой отрасли.
«Я использую аналогию с 23andme, когда пытаюсь объяснить, что мы делаем», - говорит д-р Дарио Канту, доцент кафедры виноградарства и энологии в Калифорнийский университет в Дэвисе. «Все эти компании, которые передают ваше происхождение и вероятность того, что вы заболели некоторыми болезнями, - я думаю, это то, что мы делаем, используя аналогичные инструменты, что и эти компании, чтобы быстро понять гены итальянского винограда».
Доктор Канту использует компьютеры для анализа генетического состава винных сортов винограда, чтобы понять различия, ответственные за различные характеристики. Затем селекционеры могут попытаться объединить желаемые черты для создания оригинальных сортов, которые могут быть более устойчивыми к болезням и засухе и предложить новые уникальные вкусы.
Может ли наука спасти наши любимые вина? «Я сам не заводчик, - говорит доктор Канту. «Я сотрудничаю с Энди Уокером [одним из преподавателей Калифорнийского университета в Дэвисе]. Он заводчик. Мы дополняем друг друга в том смысле, что он традиционный заводчик, а я - компьютерщик, поэтому я помогаю ему понять генетику некоторых черт, которые его интересуют.
«Энди проверяет естественные популяции дикого винограда на устойчивость к болезням - мучнистой росе и т. Д. - а затем пытается внедрить эти признаки в культивируемые сорта. Я помогаю ему понять генетическую основу этих черт ».
Изготовление винограда по старинке
Традиционно селекционер выбирает два родительских растения с желаемыми признаками или фенотипами. Например, у одного из родителей может быть крупный виноград, но плохая переносимость болезней, в то время как у другого может быть виноград меньшего размера, но быть устойчивым к мучнистой росе. В этом случае, скрещивая эти растения, селекционеры будут искать потомство, которое обладало бы желательными чертами крупных ягод и устойчивостью к болезням.
После того, как селекционер использовал пыльцу родительского самца для оплодотворения самки-родителя, полученные семена высаживают. Растениям потребуется от четырех до шести лет, чтобы плодоносить и провести оценку.
Уловка? Не гарантируется, что кто-либо из потомков унаследует желаемый признак. Потенциально годы работы могут оказаться в буквальном смысле бесплодными.
Д-р Ланс Кэдл-Дэвидсон (стоит) и д-р Ави Карн, анализируют крупномасштабные генетические данные для выявления благоприятных свойств винограда.
Обновление природы
Селекция с использованием маркеров - это способ использования компьютеров в исследованиях винограда, центральная часть Проект VitisGen2 . Этот метод использует данные ДНК, чтобы помочь селекционерам выбрать, какие саженцы винограда оставить. Цель состоит в том, чтобы вывести растения с лучшим вкусом винограда, более устойчивыми к болезням и вредителям.
«В программах селекции виноградных лоз у нас так много данных», - говорит доктор Авинаш Карн, научный сотрудник по вычислительной биологии и количественной генетике, научный сотрудник Корнелл Университет . «Есть генетические данные, в том числе данные секвенирования ДНК и данные фенотипа. Фенотипическими данными могут быть [физические характеристики, такие как] устойчивость к болезням, качество плодов или адаптации, такие как переносимость холода ».
Карн говорит, что высокая вычислительная мощность имеет решающее значение для анализа огромного объема информации, генерируемой такой программой, как VitisGen2.
Селекция с использованием маркеров направлена на оптимизацию процесса разведения. Сначала исследователи собирают фенотип и генетические данные для конкретных виноградных лоз. Информация помещается в базу данных, и исследователи используют инструменты, чтобы определить, какая генетическая последовательность или маркер связан с определенным признаком. Затем, ища этот маркер в ДНК растения, они могут определить, обладает ли оно желаемым качеством.
Почему гибридный виноград имеет значение Карн сравнивает этот процесс с беглым просмотром книги и поиском нескольких ключевых слов вместо того, чтобы читать весь текст.
Как только желаемый признак был идентифицирован, селекционеры делают скрещивание, используя обычные методы, и высаживают полученные семена. Вместо того чтобы ждать несколько лет, пока виноградная лоза принесет плоды, селекционеры могут увидеть, несут ли лозы желаемый ген в течение нескольких месяцев.
Когда проросткам исполнится несколько месяцев, можно проанализировать ткань листа, чтобы определить, унаследовало ли растение определенный ДНК-маркер. Если это произойдет, селекционер может продолжить выращивание лозы. Если нет, его можно выбросить.
«[Отбор с помощью маркера] поможет селекционеру сэкономить время, деньги и место», - говорит Карн. «В этом большая разница в использовании всей этой информации и ее анализе по сравнению с любым традиционным [селекционным] методом».
Что нас ждет в будущем?
Как компьютерная селекция винограда повлияет на потребителей вина? Карн говорит, что вина, устойчивые к болезням или лучше адаптированные к изменяющемуся климату, гарантируют виноделам виноград, необходимый им для удовлетворения растущего потребительского спроса.
«Я бы сказал, что работа, которую мы делаем, определенно поможет селекционерам [винограда], экономя время и деньги и [помогая им] принимать более эффективные решения», - говорит Карн. «Они смогут производить более качественный продукт, что поможет производить вино лучшего качества».
Правда о ваших любимых винах Доктор Канту говорит, что помимо создания новых сортов винограда, важно понимать генетический материал существующих, но менее известных сортов.
«Мы много говорим о том, как изменение климата разрушит виноградарство и виноделие, но мы можем изучить доступные сорта», - говорит он. «Их там тысячи. Есть [некоторые], которые были адаптированы для выращивания в очень жарком и сухом климате, например, в южной Италии или южной Испании. Они гораздо лучше адаптированы к окружающей среде, с которой мы сталкиваемся сейчас, а может быть, даже больше к той, с которой мы столкнемся в будущем.
«То, что мы находим на наших полках, будет иметь разные названия и разные этикетки. Но это может быть даже лучше, чем то, что у нас есть сейчас ».
