III Международный форум «Передовые цифровые и производственные технологии»: круглый стол «Применение цифровых технологий для создания новых сортов культурных растений»

В рамках второго дня III Международного форума «Передовые цифровые и производственные технологии» состоялся круглый стол на тему «Применение цифровых технологий для создания новых сортов культурных растений».

УЧАСТНИКИ КРУГЛОГО СТОЛА

• Сергей Нуждин, к.б.н., профессор Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе (США), в.н.с. НИЛ «Цифровые технологии для агробиологии» НЦМУ СПбПУ;
• Елена Хлесткина, д.б.н., директор Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова;
• Альберт Щегольков, к.с.-х.н, научный сотрудник отдела селекции компании «Соевый комплекс»;
• Дмитрий Афонников, д.б.н., заведующий лабораторией эволюционной биоинформатики и теоретической генетики Института цитологии и генетики;
• Антонина Новикова, к.с.-х.н., руководитель селекционно-семеноводческого центра Федерального научного центра биологических систем и агротехнологий РАН;
• Татьяна Рожмина, д.б.н., заместитель директора по научно-инновационной работе Всероссийского научно-исследовательского института льна (ВНИИЛ);
• Александр Канапин, к.б.н., н.с. НИЛ «Цифровые технологии для агробиологии» НЦМУ СПбПУ.

Модератором круглого стола выступила Мария Самсонова, д.б.н., профессор, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Цифровые технологии для агробиологии» НЦМУ СПбПУ.

Первым с докладом «Высокопроизводительное фенотипирование с использованием цифровых технологий для задач генетики и селекции растений» выступил Дмитрий Афонников: «Современные методы поиска новых генов основаны на анализе ассоциаций между генетическими вариациями и изменчивостью признаков. Они позволяют определить участки генома, в которых эта связь наиболее значима. Для увеличения точности этих методов необходима обработка большого количества данных».

Существует технологический разрыв между геномным анализом и описанием фенотипа. Определение фенотипа становится узким местом при проведении массовых генетических экспериментов (более 10 тыс. растений). Эффективность селекции лимитируется трудоемким ручным анализом фенотипа. «Для решения этой задачи интенсивно используются современные информационные инженерные технологии, которые должны обеспечить быстрое и точное массовое описание фенотипа растений как в полевых, так и лабораторных условиях», – пояснил спикер.

Примеры современных цифровых технологий:

• мобильное приложение для полевого анализа с автоматическим вводом информации в базу селекционных данных;
• автоматические теплицы: 3D-реконструкция фенотипа;
• крупномасштабное фенотипирование посевов с помощью беспилотных летательных аппаратов.

Более подробно докладчик остановился на технологии анализа изображений, которая является основой получения информации для фенотипирования. В качестве одного из эффективных и недорогих решений спикер привел приложение Seed counter для подсчета и морфометрии зерен. Приложение, разработанное для платформы Android, в настоящий момент скачали уже более 1000 раз и использовали при проведении селекционно-генетических экспериментов в России и за рубежом.

«Современная генетика и селекция растений невозможна без использования цифровых технологий, системной биологии и биоинформатики. Благодаря информатике исследования в области генетики сельскохозяйственных растений становятся все более технологичными и производительными», – заключил Дмитрий Афонников.

Презентацию на тему «Цифровые подходы к одомашниванию океана» представил Сергей Нуждин, который, говоря о необходимости применения цифровых технологий в генетике, в качестве иллюстрации подробно остановился на теме «одомашнивания» келпа (бурых водорослей): «У келпа очень большая сфера применения и экономический потенциал. Выращивание в верхней части океана таких бурых водорослей в большом количестве – это путь к производству пластика и бензина без использования нефти и газа. Но чтобы выращивать келп в необходимых количествах, его нужно сначала одомашнить. Нам нужно внимательно относиться к тому, что попадает в океан, чтобы не нарушить природную экосистему. Таким образом, задача, которую мы решаем, – как 3000 лет, которые прошли растения, чтобы стать домашними, уместить в 5–6 лет».

В качестве решения профессор Калифорнийского университета рассмотрел технологию sporeless kelp.

В докладе «Генетические технологии в растениеводстве» Елена Хлесткина раскрыла основной принцип работы CRISP/CAS9 и в качестве иллюстрации привела пример первого редактированного хозяйственного растения в России: это был ячмень, полученный в 2018 году. При помощи технологии CRISP/CAS9 была внесена точечная мутация в ген Nud, в результате чего сорт пленчатого ячменя стал голозерным.

«Для создания голозерного сорта путем классической селекции нам понадобилось бы не менее 10 лет, а путем редактирования мы смогли это сделать в четыре раза быстрее», – отметила спикер.

С завершающим докладом о геномной селекции выступила модератор мероприятия Мария Самсонова, выделив этапы геномной селекции, в основе которой – метод машинного обучения:

• формирование обучающей выборки;
• фенотипирование и генотипирование всех растений обучающей выборки;
• восстановление неявной зависимости между маркерами и фенотипами путем построения математической модели.

Для любого возможного набора молекулярных маркеров растений в селектируемой популяции модель должна выдать достаточно точный классифицирующий ответ, т.е. предсказать фенотип и оценить ценность генотипа для селекции.

Особо остановившись на факторах, которые влияют на точность предсказания селекционной ценности генотипов, Мария Георгиевна рассмотрела геномную селекцию в контексте других методов селекции и отметила, что ее позитивными сторонами являются увеличение точности отбраковки растений, экономия ресурсов и ускорение процессов: «Использование цифровых двойников в селекции позволяет отбирать растения в соответствии с предсказанной ценностью их генотипов без фенотипирования. <…> Геномная селекция не может заместить стандартные программы селекции, но может быть интегрирована в эти программы».