Команда биологов и компьютерных ученых применила подход машинного обучения, основанный на времени, чтобы вывести временную логику передачи сигналов азота в растениях из данных об экспрессии всего генома. Работа потенциально предлагает новые способы мониторинга и улучшения роста сельскохозяйственных культур с использованием меньшего количества азотных удобрений, что принесет пользу питанию человека и окружающей среде.
Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), сосредоточено на сетях регуляции генов (GRN), которые определяют, какие факторы транскрипции служат для регуляции генов, необходимых для реакции на азот, который является питательное вещество, жизненно важное для развития растений и питания человека.
"Создавая эти регуляторные сети, основанные на динамических реакциях генов на обработку азотом, мы можем в замедленной съемке увидеть генетический процесс, необходимый для поглощения азота и его преобразования в аминокислоты, используемые в синтезе азота. все N-содержащие соединения, включая ДНК, белки и хлорофилл», - объясняет Глория Коруцци, профессор кафедры биологии Нью-Йоркского университета и Центра геномики и системной биологии и старший автор статьи. «Вооружившись этими новыми знаниями, мы теперь можем искать способы повысить эффективность производства продуктов питания и обогатить меры по устойчивому сельскому хозяйству при более низком введении азота, что принесет пользу окружающей среде."
В исследовании также приняли участие исследователи из Университета Пердью, Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, лаборатории Колд-Спринг-Харбор и Французского национального института сельскохозяйственных исследований.
Исследование использовало время - четвертое и в значительной степени неизученное измерение GRN - с целью лучшего выяснения факторов транскрипции (TF), имеющих отношение к генетическим реакциям на азот. В частности, понимание того, как факторы транскрипции функционируют в разные моменты времени, может позволить ученым нацеливаться на ранние ответчики и делать прогнозы о временном функционировании всей сети регуляции генов..
Этот GRN, основанный на времени, теперь предоставляет обширные нормативные знания для обоснования проверяемых гипотез о том, как 155 факторов транскрипции осуществляют регулирующий контроль реакции азота и его влияние на основные жизненные процессы растений, такие как циркадный ритм, фотосинтез и РНК. обмен веществ, среди прочих явлений, влияющих на рост, развитие и урожайность растений.
Исследование было поддержано грантами Национальных институтов здравоохранения (NIH) (R01-GM032877), грантом Национального научного фонда по геному растений (IOS-1339362), премией Национальной исследовательской службы NIH (GM095273) и стипендия Национального института общих медицинских наук Национального института здравоохранения (1F32GM116347).