Дослідницька група під керівництвом Глорії Коруцці (Gloria Coruzzi), професорки кафедри біології Нью-Йоркського університету (NYU), представила нову методику, яка поєднує машинне навчання й молекулярну біологію для зменшення потреби в азотних добривах. Метою є створення сортів кукурудзи з високою ефективністю використання азоту (nitrogen use efficiency, NUE).

За словами Коруцці, з допомогою ШІ можна не лише ідентифікувати ключові гени, а й модифікувати їх, підвищуючи здатність рослин до ефективного споживання добрив. Це особливо актуально для США, найбільшого виробника кукурудзи у світі, адже сучасні гібриди засвоюють лише близько 55% внесеного азоту. Решта потрапляє в ґрунт і довкілля, де спричиняє екологічні проблеми:

• Забруднення ґрунтових вод
• Цвітіння води в річках і океанах
• Викиди парникового газу N₂O (в 265 разів потужніший за CO₂)

Штучний інтелект виявляє «регулони»

Дослідники з NYU розробили алгоритм, що виявляє регулони (regulons) — групи генів, які активуються або пригнічуються одним і тим самим транскрипційним фактором. Ці регулони відповідають за здатність рослин ефективно засвоювати азот.

Методика базується на аналізі генів кукурудзи та їх порівнянні з генами арабідопсису (Arabidopsis thaliana) — рослини-моделі, яку широко застосовують у лабораторних дослідженнях. Дослідники провели RNA-секвенування, щоб визначити, як саме змінюється активність генів під дією азоту.

Як це працює:

1. RNA-секвенування показує, які гени реагують на азот.
2. Машинне навчання шукає шаблони: гени, що змінюють активність у відповідь на азот як у кукурудзі, так і в арабідопсисі.
3. Ідентифікація транскрипційних факторів, що контролюють регулони, пов’язані з ефективністю азоту.
4. Оцінка точності — наскільки добре ці гени прогнозують NUE у польових умовах.
5. Валідація — підтвердження функцій конкретних генів через лабораторні експерименти на клітинному рівні.

Так, зокрема, були виявлені два транскрипційні фактори у кукурудзи (ZmMYB34/R3), які регулюють 24 гени, пов’язані з використанням азоту. Їхні аналоги в арабідопсисі (AtDIV1) регулюють ще 23 гени з подібною функцією.

Головна перевага — селекція ще на етапі проростків

Коруцці пояснює, що фермери зможуть обирати найефективніші гібриди ще на ранньому етапі, ґрунтуючись на активності відповідних генів:

«Замість того щоб садити рослини і вимірювати їхню ефективність у полі, ми зможемо використовувати молекулярні маркери, щоб обрати найкращі варіанти ще на стадії саджанців».

Це дозволить:

• зменшити витрати на добрива
• знизити ризики забруднення довкілля
• боротися з кліматичними змінами, зменшуючи викиди N₂O

Потенціал для генної інженерії

NYU вже подала патентну заявку на результати дослідження, включаючи можливість редагування генів через CRISPR для створення рослин із вбудованими NUE-регулонами. Такий підхід дозволить не лише вдосконалити селекцію, а й безпосередньо змінити геноми культур для досягнення вищої ефективності використання добрив.

Чому це важливо знати

Підвищення ефективності використання азоту в сільському господарстві — ключовий фактор сталого виробництва продовольства. Нові технології, що інтегрують штучний інтелект, генетичний аналіз та біоінженерію, можуть трансформувати аграрний сектор трьома способами: зменшити витрати фермерів на дорогі імпортні добрива, мінімізувати забруднення ґрунтових вод і водойм, та скоротити викиди закису азоту, який є потужним парниковим газом. Дослідження NYU закладає основу для практичного застосування цих інновацій у найближчому майбутньому.