Математическая модель, разработанная учеными Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ), предскажет урожайность и качество семян.
Создать новый сорт растений непросто. Обычно на это требуется 10–12 лет, так как селекционер, начиная работать с материалом в каждом поколении (за один год), отбирает растения по интересующему признаку с заданными значениями ― например, когда нужно получить семена с высокой продуктивностью.
С помощью моделей геномной селекции этот процесс можно ускорить в несколько раз в силу двух причин: во-первых, повышается точность оценки того, какие растения отбирать в следующее поколение, во-вторых, нет необходимости измерять фенотип интереса в каждом поколении, можно ограничиться его предсказанием по модели и заранее отбраковать неподходящие растения, что особенно важно для тех признаков, которые формируются на поздних стадиях развития растения.
По мнению ученых, математическая модель, созданная при помощи методов машинного обучения, работает лучше аналогов, так как при одинаковой предсказательной способности оперирует меньшим числом параметров.
Для селекционеров очень важен правильный подбор растений-родителей для скрещивания. И благодаря небольшому числу параметров в модели ученые могут рассчитать все возможные генотипы потомков от каждой родительской пары и выбрать лучшую из них.
В начале работы у исследователей имеется обучающая выборка, в которой все растения фенотипированы (т.е. у них количественно оценен интересующий признак) и генотипированы (т.е. известны вариабельные позиции нуклеотидов в ДНК). На ее основе обучается модель, и в итоге получается зависимость, по которой для любого генотипа можно предсказать признак. Затем эта модель используется для предсказания признаков на других растениях, у которых известен только генотип, но нет фенотипических измерений. Питерские исследователи применили модель для предсказания фенотипических признаков сои и успешно рассчитали высоту растения, количество семян, урожайность, процентное содержание в семенах белка и масла.
«Математика ― это новый микроскоп для биологии, не зря ее считают царицей всех наук. Сейчас для прогресса в биологии она играет такую же роль, как для становления физики в XVII веке. Благодаря успехам биологии развивается математика и наоборот, новые математические методы приводят к тому, что решаются задачи биологии. Эти области знания взаимно обогащают друг друга. Поэтому и появилась математическая биология» ― отмечает Мария Самсонова, заведующая лабораторией «Математическая биология и биоинформатика» СПбПУ (лаборатория работает в рамках научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии»).