ИИ увидел гены, управляющие ростом растений

Из-за ускоряющегося климатического изменения сельскохозяйственные культуры всё чаще сталкиваются с засухами, жарой и другими стрессовыми условиями. Однако улучшение устойчивости растений осложняется тем, что важные признаки нередко контролируются группами связанных генов. Поиск таких перекрывающихся функций остаётся одной из самых трудных задач генетики.

Учёные из Cold Spring Harbor Laboratory предложили новое решение: они создали вычислительную модель на основе ИИ, способную находить дублирующиеся гены и предсказывать последствия их мутаций. Для обучения использовали данные об изменениях генов цветковых растений за 140 млн лет эволюции. Модель позволила выявлять закономерности избыточности и определять, какие гены можно редактировать, чтобы изменить нужные характеристики.

Исследователи объясняют, что после дублирования исходный ген превращается в два, и со временем они должны расходиться по функциям, однако этот процесс плохо изучен. Чтобы понять механизм, команда сосредоточилась на семействе генов CLE, отвечающих за передачу клеточных сигналов и развитие растений. Эти гены малы по размеру, быстро эволюционируют и часто дублируются, что усложняет их изучение.

ИИ помог выявить тысячи неизвестных ранее генов CLE у разных растительных видов. Модель выделила гены, которые могут выполнять избыточные функции, ориентируясь на сходство в пептидах или промоторах — участках ДНК, управляющих активностью генов.

Чтобы проверить прогнозы, учёные применили CRISPR и одновременно отключили десять генов у томатов — рекордное число для подобных экспериментов. Изменение одного гена не давало эффекта, тогда как одновременное отключение дублёров вызвало заметные нарушения роста, полностью подтвердив предсказания модели.

Показано, что большинство избыточных генов имеют схожие промоторы, даже если их пептиды различаются. Модель также смогла предсказать, как конкретные мутации CLE повлияют на растение — положительно, отрицательно или нейтрально.

Разработанный подход универсален и может применяться к любому семейству генов. Он предоставляет селекционерам новые инструменты для точечного улучшения культур — повышения урожайности, устойчивости к засухе и адаптации к росту температуры.