机器学习和生物大数据交叉融合助力智能育种
近日，华中农业大学玉米团队在Genome Biology发表了题为“Target-Oriented Prioritization: targeted selection strategy by integrating organismal and molecular traits through predictive analytics in breeding”的研究论文。
该研究基于一个结合遗传研究和育种应用设计的包含5820份杂交种的玉米非完全双列杂交群体，开发了一套基于理想目标材料识别的机器学习算法：目标导向的优选技术（TOP, target-oriented prioritization）。该算法可整合组学数据实现多个性状的协同选择，在保证育种目标整体一致的基础上，特定性状实现更优，为作物智能设计育种提供了技术支撑。
作物育种技术正面临新的转型升级。利用基因编辑与合成生物学技术，借助生物和环境大数据与人工智能技术，快速聚合有利等位基因，实现作物新品种的定向智能培育被认为是未来育种技术发展方向。
多性状协同改良是目前制约育种效率的关键。作物育种中，育种家通常期待同时改良多个性状，但不同性状往往存在连锁累赘，如高产品种往往不抗病，适宜机械化收获的品种籽粒脱水快，但产量会受影响。同时选择两个或多个性状通常比选择单个性状育种更加困难。实际育种中，多性状选择主要有三种方法：一是逐项选择法，在一个育种周期中只对一个性状进行选择；二是独立淘汰水平法，在一个育种周期同时对多个性状进行选择，对满足条件的材料取交集；三是指数选择法，根据性状的经济重要性或期待改进的幅度对其进行加权的选择方法。尽管指数选择法比逐项选择法和独立淘汰水平法更有效，但性状重要性的赋值依赖育种家经验，且必须为每个特定的种群和育种目标建立理想的选择指数，这种思路操作起来非常困难，难以推广。
文章第一作者杨文宇博士开发了一套适用农作物的DNA画像技术，以特定品种（商业品种或区试对照材料）为目标，在育种资源中，通过基因组信息对材料进行“表型画像”，并搜索和“目标画像”整体性最相似的材料。该方法被命名为目标导向的优选技术（TOP, target-oriented prioritization）。该研究利用4套独立的不同数据集，对TOP选择效果进行测试，包括5820个F1的玉米杂交种，368个玉米自交系，282个玉米自交系和210个水稻自交系。研究结果发现，TOP方法在多个物种、多个数据中具有广泛的适用性，能有效平衡多个性状间的复杂相关性，实现与特定目标品种整体相似的前提下，筛选出特定性状更优的候选材料。如果进一步加入其它组学大数据，TOP的选择精度能进一步得到大幅提升。以我国生产上大面积推广的玉米品种“郑单958”为目标材料，从34188份理论可以组配的杂交组合中选出86个（中选率0.25%），进一步对这些中选的杂交组合进行田间试验验证，结果显示，10个杂交组合在整体性状和“郑单958”相似的基础上，实现了0.75%至8.66%的增产，为后续进行品种精准改良提供了优良材料资源，与常规杂交育种相比，大大降低了工作量。
玉米基因组育种选择TOP算法流程
杨文宇博士与严建兵教授团队开展合作研究，利用团队前期构建的CUBIC群体和各种数据，结合自身对生物数据的理解和数学专业优势，努力学习遗传学和生物育种学的知识，通过学科交叉和融合，做出一系列研究成果：开发了一种基于隐马可夫模型的血缘一致性（identity-by-descent, IBD）推断方法，可精准估计CUBIC群体24个亲本的遗传重组事件，精确度达到95%，为后续关联分析和基因挖掘奠定了基础，相应结果以共同一作发表在Genome Biology;参与CUBIC衍生的NCII杂交群体的杂种优势预测算法开发；独立开发了一套基于理想目标材料识别的机器学习算法TOP，为农作物基因组智能育种提供有力技术支撑。
利用玉米CUBIC群体已在Genome Biology连续发表三篇系列论文，从农艺性状遗传解析到杂种优势机理解析，再到智能设计育种。
华中农业大学理学院青年教师杨文宇博士为论文第一作者。作物遗传改良国家重点实验室和湖北洪山实验室严建兵教授、肖英杰教授为共同通讯作者。华中农业大学郭婷婷教授、博士后罗靓赟，美国农业部Marilyn Warburton博士，北京农林科学院赵久然研究员和张如养副研究员也参与了该研究。
原文链接：
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-022-02650-w
在亮氨酸营养研究领域取得新进展
近日，华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院晏向华教授课题组揭示了亮氨酸调控mTORC1通路的机制，为营养物质尤其是亮氨酸调控mTORC1的机制提供了理论依据。相关研究成果以“KAT7-mediated CANX (calnexin) crotonylation regulates leucine-stimulated MTORC1 activity”为题在Autophagy发表。
mTORC1作为机体感应营养物质尤其是氨基酸最重要的信号通路之一，通过其激酶活性磷酸化不同底物，参与多种下游的生理及病理过程。氨基酸通过调控mTORC1的溶酶体定位进而影响其激活过程，迄今为止已有多个重要的调控蛋白或蛋白复合体在溶酶体表面调节mTORC1的溶酶体移位，但是否还有新的调控蛋白参与此过程仍旧未知。晏向华课题组在前期成功构建了受亮氨酸调节的mTORC1激活过程中的体外无细胞体系。
图1.受亮氨酸调节的mTORC1通路体外无细胞体系的构建
在体外无细胞体系的基础上，研究人员在整体蛋白质组范围内大规模地分析了亮氨酸调控的溶酶体移位的蛋白质。试验成功鉴定到已被报道的亮氨酸感受体蛋白SESN2，在此基础上，发现钙调蛋白Calnexin可能在亮氨酸缺失后移位至溶酶体组分。研究团队在后续综合运用基因编辑、亚细胞分离、免疫荧光等实验，确认了Calnexin参与亮氨酸调控mTORC1激活的过程，并揭示了亮氨酸缺失后Calnexin移位至溶酶体表面与溶酶体膜蛋白LAMP2结合的机理。结合课题组前期的一项巴豆酰化比较蛋白质组的结果，研究团队发现并证明了乙酰转移酶KAT7能够催化Calnexin的巴豆酰化修饰，进而调节Calnexin的溶酶体移位过程。最后与已知的mTORC1调控蛋白进行关联分析，发现移位至溶酶体表面的Calnexin抑制了Ragulator复合体对Rag GTPase的GEF活性进而抑制了mTORC1的溶酶体移位。
此外，该研究鉴定到了多个亮氨酸调控mTORC1过程中的新调控蛋白，并首次证明了新型蛋白质Calnexin翻译后修饰-赖氨酸巴豆酰化修饰-参与调控mTORC1的活性。
图2. KAT7介导的CANX巴豆酰化调控mTORC1的机制
华中农业大学晏向华教授为论文通讯作者，博士研究生严国楷（现为北京大学博士后）和李秀芝（现为上海交通大学博士后）为本文共同第一作者，本研究还得到了上海交通大学钟清教授、南京农业大学朱伟云教授、武汉大学周蕊教授和中山大学崔隽教授的支持。
原文链接：
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15548627.2022.2047481
在农产品贸易政策的资源要素配置效应研究方面取得新进展
近日，华中农业大学农业产业与技术经济团队在Ecological Economics上发表了题为“Agricultural trade liberalization and domestic fertilizer use: Evidence from China-ASEAN free trade agreement”的研究论文，以中国——东盟自由贸易区（CAFTA）为例探究了农产品贸易自由化政策对出口农产品农资要素投入的影响机制及其动态效果。
农产品贸易自由化政策的资源配置效应评估一直是政府、业界和经济学界共同关注的重要问题。自2004年起，中国与东盟国家之间启动了“早期收获计划”，率先对鲜活农产品降税，对我国蔬菜和水果出口贸易流向和国内种植结构等方面影响深远。为评估政策对中国化肥使用强度及结构的影响，该研究提出了一种适用于分品种分国别出口贸易对化肥使用贡献的分解方法，用于刻画中国对不同国家的生鲜农产品贸易引起的化肥使用规模。该方法弥补了现有统计数据上对中国农产品贸易中的隐含化肥投入量的局限性，通过基于数据驱动的合成控制法刻画了CAFTA事件发生前后中国对东盟伙伴国生鲜农产品出口隐含化肥量的变化趋势。该文在农产品贸易政策的出口创造效应和出口转移效应理论框架下分析了CAFTA事件对中国出口生鲜农产品的隐含化肥量的影响结果。
在实证研究部分，通过构建1995-2015年跨国双边面板数据集，实证检验了CAFTA框架下中国对东盟老成员国和新成员国的不同品种生鲜农产品出口对国内化肥使用的贡献程度。分析结果表明，2004年中国-东盟“早期收获计划”实施之后，中国对东盟国家生鲜农产品出口对国内化肥使用的增量效应已经显现，这类效应主要集中于中国对菲律宾、印度尼西亚、马来西亚、泰国等老成员国的出口，且果蔬出口的本土隐含化肥量提升最明显，通过安慰剂检验和调整对照组国别之后，本文的政策评估结果呈现高度稳健性。进一步构建了双重差分模型用于贸易政策的贡献来源，结果表明CAFTA作为关税同盟，在出口转移效应作用下，中国增加了对东盟国家的生鲜农产品出口集中度，进而带来中国化肥使用量的上升。这表明政策设计中应充分识别贸易政策对国内农业生产要素再分配和生产率提升的作用，避免化肥过度投入所引起的国内面源污染加剧问题。
该项研究从新的视角揭示了农产品贸易自由化政策对农资投入效应的动态影响，并测算了政策效应影响下不同品类、国别的隐含化肥投入，为发展中国家开展农产品贸易合作和提高资源配置效率提供了新的有益启示。
经济管理学院聂飞副教授为论文第一作者，李剑副教授为通讯作者，农业产业与技术经济团队负责人李谷成教授和美国政府责任办公署Xiang Bi研究员合作对课题实施提供了研究指导。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ecolecon.2022.107341
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