应用机器学习的策略预测玉米杂种优势

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31871706
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    55.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C1301.农业信息学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Creating the intelligent decision system to assist breeders in designing hybridization scheme is the future of crop breeding. It demands the integration of Big Data and molecular breeding technologies. As the brain of Artificial Intelligence (A.I.), machine learning methodology is a powerful tool for data mining and modeling in the Big Data era. In this proposed project, we will employ machine learning strategy to create genomic selection models for genomic prediction of the phenotypes of F1 hybrids and heterosis potentials based on their genotypes. The outcome from the study will be implemented as a breeding decision-making system to assist breeders in precise selection of promising parental lines for hybridization breeding. The genotype and phenotype data in a population of 6,210 F1 hybrids was created by crossing 30 paternal lines and 207 maternal lines. The 30 paternal lines were elite inbred lines with broad genetic backgrounds, which are widely used in the current maize breeding industry in China. Thus, this dataset is only ideal for theoretical research of maize heterosis, but also can be used as a standard database as the training population for promoting genomic selection technology in China. The challenge of genomic selection facing, is the over-fitness issue when the training population and testing population have different genetic background, which will significantly lower prediction accuracy. With the advantage of machine learning, the genomic selection model will fully consider the complex genetic structure of the studied population, to overcome the above-mentioned issue with robust stability. In addition, this project will also identify heterosis-determinant genomic regions, genes and markers in the maize genome. The information will be included as fixed effect when training genomic selection models, in order to further increase prediction power.
农作物育种智能化决策依赖于大数据与分子育种的紧密结合。机器学习技术是大数据时代有力的数据挖掘与建模工具,是人工智能的核心。本研究应用机器学习的策略建立基因组选择模型,通过杂种一代的基因型预测表型,辅助育种家精准筛选具有杂种优势潜力的亲本组合以及辅助设计育种方案。本研究的基因型与表型数据来自包含6210个杂种一代的群体,由我国玉米界广为应用的、来自不同杂种优势群的30个代表性骨干自交系为父本,与207个广泛变异的自交系为母本杂交创制。该数据即适用于玉米杂种优势的理论研究,也为在我国推广基因组选择育种技术体系提供了标准训练群体。本研究建立的基于机器学习的基因组选择模型,充分考虑该群体遗传背景广泛、遗传结构复杂等特点,在保证较高预测精度的同时,重点解决模型跨亚群预测的稳健性问题。本研究将挖掘决定玉米杂种优势形成的基因组区段、基因和标记,纳入模型训练中以进一步提高玉米杂种优势预测的精度。

结项摘要

国粮食总产量位居全球首位,玉米产量位居世界第二,但是育种技术体系的信息化与智能化程度与欧美发达国家相比,还有相当大的差距。因此,我国急需建设为玉米种业服务的玉米智能设计育种技术体系,为我国玉米育种行业解决“卡脖子”问题。本项目设立了两个主要研究目标:一是应用人工智能领域的机器学习算法构建全基因组选择模型与基因型到表型预测模型,二是挖掘决定玉米产量杂种优势的区段与基因。上述两个研究均已按计划完成,发表带有本项目基金标注的论文或论著总计10篇,其中6篇为第一标注、1篇为第二标注、3篇作为第三标注。在本项目的资助下,开发了三款育种模型或工具,获得了三项软件著作权,分别是CropGBM、GOVS、IP4GS。其中,有两项重要研究成果较为突出。首先,开发了CropGBM作物基因组设计育种工具箱,CropGBM采用集成学习的梯度提升决策树算法(LightGBM)实现基因型到表型预测,该工作发表在Genome Biology杂志,并申请了软件著作权一项。其次,利用包含有四万余个样本大规模玉米杂交群体,探索玉米杂种优势利用的生物学规律、挖掘决定杂优模式的关键基因,建立实践精准设计育种的理论框架,该工作发表在Genome Biology杂志。鉴于项目主持人在智能设计育种领域的突出贡献,植物学权威综述杂志Trends in Plant Science发出邀请,并发表了:“Machine Learning Bridge Omics Sciences and Plant Breeding”的综述文章。“智慧种业”十四五规划明确了“构建数字化育种平台,探索基因型到表型的智能育种技术体系,加快经验育种向精确育种转变”的攻关目标。本项目的研究成果,将推动我国种业的智能化升级、加速向玉米育种4.0的时代前进。目前有辽宁东亚、黑龙江垦丰种业、北京通州种业等多家种业企业与项目主持人开展了横向课题合作。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(1)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Genome optimization for improvement of maize breeding
基因组优化改善玉米育种
  • DOI:
    10.1007/s00122-019-03493-z
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Theor Appl Genet
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Jiang Shuqin;Cheng Qian;Fu Ran;Wang Xiangfeng
  • 通讯作者:
    Wang Xiangfeng
中国种业科技创新的智能时代——“玉米育种4.0”
  • DOI:
    10.1073/pnas.1921225117
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    玉米科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王向峰;才卓
  • 通讯作者:
    才卓
Genome Optimization via Virtual Simulation to Accelerate Maize Hybrid Breeding
通过虚拟仿真进行基因组优化,加速玉米杂交育种
  • DOI:
    10.1093/bib/bbab447
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Briefings in Bioinformatics
  • 影响因子:
    9.5
  • 作者:
    Cheng Qian;Jiang Shuqin;Xu Feng;Wang Qian;Xiao Yingjie;Zhang Ruyang;Zhao Jiuran;Yan Jianbing;Ma Chuang;Wang Xiangfeng
  • 通讯作者:
    Wang Xiangfeng
The hybrid protein interactome contributes to rice heterosis as epistatic effects
杂合蛋白相互作用组通过上位效应促进水稻杂种优势
  • DOI:
    10.1111/tpj.14616
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    The Plant Journal
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Li Hong;Jiang Shuqin;Li Chen;Liu Lei;Lin Zechuan;He Hang;Deng Xing-Wang;Zhang Ziding;Wang Xiangfeng
  • 通讯作者:
    Wang Xiangfeng
The genetic mechanism of heterosis utilization in maize improvement
玉米改良中杂种优势利用的遗传机制
  • DOI:
    10.1186/s13059-021-02370-7
  • 发表时间:
    2021-05-10
  • 期刊:
    Genome Biology
  • 影响因子:
    12.3
  • 作者:
    Xiao Y;Jiang S;Cheng Q;Wang X;Yan J;Zhang R;Qiao F;Ma C;Luo J;Li W;Liu H;Yang W;Song W;Meng Y;Warburton ML;Zhao J;Wang X;Yan J
  • 通讯作者:
    Yan J

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其他文献

基于DWT-GA-PLS的土壤碱解氮含量高光谱估测方法
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    应用生态学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    赵庚星;李希灿;王向峰;李玉玲
  • 通讯作者:
    李玉玲

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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