Πώς χρησιμοποιούνται οι υπολογιστές για να χαράξουν σταφύλια
Είναι ένα γνωστό θέαμα σε πανεπιστήμια και οινολογικά ιδρύματα σε όλη τη χώρα: σειρές αμπέλων σταφυλιών που αντιπροσωπεύουν χρόνια εργασίας, το καθένα με την ελπίδα να αλλάξει τη βιομηχανία οίνου προς το καλύτερο.
Με την πρώτη ματιά, δεν φαίνεται ότι οι τεχνικές αναπαραγωγής σταφυλιών έχουν αλλάξει κατά τη διάρκεια των αιώνων. Οι κτηνοτρόφοι γονιμοποιούν ένα αμπέλι με τη γύρη ενός άλλου, ελπίζοντας να δημιουργήσουν έναν απόγονο που θα αντισταθεί στις ασθένειες και θα παράγει ποιοτικά σταφύλια.
Αλλά πίσω από τα παρασκήνια, η έρευνα για την αναπαραγωγή σταφυλιών βασίζεται όλο και περισσότερο σε υπολογιστές που αναλύουν γενετικά δεδομένα. Η ελπίδα είναι ότι αυτό θα αυξήσει τον ρυθμό ανάπτυξης των νέων ποικιλιών σταφυλιών και θα διασφαλίσει τη ζωτικότητα της βιομηχανίας οινοποίησης.
«Χρησιμοποιώ την αναλογία του 23andme όταν προσπαθώ να εξηγήσω τι κάνουμε», λέει ο Δρ Dario Cantu, αναπληρωτής καθηγητής αμπελουργίας και οικολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Ντέιβις. 'Όλες αυτές οι εταιρείες που δίνουν την καταγωγή σας και την πιθανότητα να αρρωστήσετε από ορισμένες ασθένειες - νομίζω ότι αυτό κάνουμε, χρησιμοποιώντας παρόμοια εργαλεία με αυτές τις εταιρείες για να κατανοήσουμε γρήγορα τα γονίδια στα ιταλικά σταφύλια.'
Ο Δρ Cantu χρησιμοποιεί υπολογιστές για να αναλύσει τη γενετική σύνθεση των ποικιλιών κρασιού για να κατανοήσει τις διαφορές που είναι υπεύθυνες για διάφορα χαρακτηριστικά. Οι κτηνοτρόφοι μπορούν στη συνέχεια να προσπαθήσουν να συνδυάσουν επιθυμητά χαρακτηριστικά για να δημιουργήσουν πρωτότυπες ποικιλίες που μπορεί να είναι πιο ανθεκτικές σε ασθένειες και ξηρασία και να προσφέρουν νέες, μοναδικές γεύσεις.
Μπορεί η επιστήμη να σώσει τα αγαπημένα μας κρασιά; «Δεν είμαι ο ίδιος δημιουργός», λέει ο Δρ Cantu. «Συνεργάζομαι με τον Andy Walker [συνεργάτης του UC-Davis]. Είναι ο δημιουργός. Συμπληρώνουμε ο ένας τον άλλον με την έννοια ότι είναι ο παραδοσιακός δημιουργός και είμαι ο τύπος υπολογιστών, γι 'αυτό τον βοηθά να κατανοήσει τη γενετική ορισμένων από τα χαρακτηριστικά που του ενδιαφέρει.
«Λοιπόν, αυτό που κάνει ο Andy είναι να ελέγξει τους φυσικούς πληθυσμούς άγριων σταφυλιών για ανθεκτικότητα στις ασθένειες - σε ωίδιο, κ.λπ. - και μετά προσπαθεί να εισαγάγει αυτά τα χαρακτηριστικά σε καλλιεργημένες ποικιλίες. Τον βοηθάω να κατανοήσει τη γενετική βάση αυτών των χαρακτηριστικών. '
Κάνοντας σταφύλια τον παλιομοδίτικο τρόπο
Παραδοσιακά, ένας κτηνοτρόφος θα επέλεγε δύο γονικά φυτά με επιθυμητά χαρακτηριστικά ή φαινότυπους. Για παράδειγμα, ένας γονέας μπορεί να έχει μεγάλα σταφύλια, αλλά κακή ανοχή στις ασθένειες, ενώ ο άλλος μπορεί να έχει μικρότερα σταφύλια, αλλά είναι ανθεκτικό σε ωίδιο. Σε αυτήν την περίπτωση, διασχίζοντας αυτά τα φυτά, οι κτηνοτρόφοι θα αναζητούσαν έναν απόγονο που είχε τα επιθυμητά χαρακτηριστικά των μεγάλων μούρων και της αντίστασης στις ασθένειες.
Μόλις ο κτηνοτρόφος χρησιμοποιήσει τη γύρη από τον αρσενικό γονέα για να γονιμοποιήσει τον θηλυκό γονέα, φυτεύονται οι σπόροι που προκύπτουν. Θα χρειαστούν τέσσερα έως έξι χρόνια για να καρποφορήσουν τα φυτά και να αξιολογηθούν.
Το πιάσιμο? Δεν είναι εγγυημένο ότι κάποιος απόγονος θα κληρονομήσει το επιθυμητό γνώρισμα. Δυνητικά, χρόνια δουλειάς θα μπορούσαν κυριολεκτικά να αποδειχθούν άκαρπα.
Ο Δρ Lance Cadle-Davidson (όρθιος) και ο Δρ Avi Karn, αναλύοντας γενετικά δεδομένα μεγάλης κλίμακας για ευνοϊκά χαρακτηριστικά σταφυλιών
Αναβάθμιση της φύσης
Η αναπαραγωγή με υποβοηθούμενη σήμανση είναι ένας τρόπος με τον οποίο οι υπολογιστές χρησιμοποιούνται στην έρευνα σταφυλιών, ένα κεντρικό τμήμα του Έργο VitisGen2 . Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί δεδομένα DNA για να βοηθήσει τους κτηνοτρόφους να επιλέξουν ποια φυτά σταφυλιών θα διατηρήσουν. Ο στόχος είναι να αναπτυχθούν φυτά με σταφύλια με καλύτερη γεύση που είναι πιο ανθεκτικά στις ασθένειες και στα παράσιτα.
«Στα προγράμματα αναπαραγωγής αμπέλων, έχουμε τόσα πολλά δεδομένα», λέει ο Δρ Avinash Karn, μεταδιδακτορικός ερευνητικός συνεργάτης της υπολογιστικής βιολογίας και της ποσοτικής γενετικής στο Πανεπιστήμιο Cornell . 'Υπάρχουν γενετικά δεδομένα, τα οποία περιλαμβάνουν δεδομένα αλληλούχησης DNA και δεδομένα φαινοτύπου. Τα δεδομένα φαινοτύπου μπορεί να είναι [φυσικά χαρακτηριστικά όπως] ανθεκτικότητα σε ασθένειες, ποιότητα φρούτων ή προσαρμογές όπως ανοχή στο κρύο. '
Ο Karn λέει ότι η υψηλή υπολογιστική ισχύς είναι ζωτικής σημασίας για την ανάλυση του συγκλονιστικού όγκου πληροφοριών που δημιουργούνται από ένα πρόγραμμα όπως το VitisGen2.
Η αναπαραγωγή με υποβοηθούμενη σήμανση επιδιώκει να βελτιώσει τη διαδικασία αναπαραγωγής. Πρώτον, οι ερευνητές συλλέγουν φαινότυπο και γενετικά δεδομένα για συγκεκριμένα αμπέλια. Οι πληροφορίες τοποθετούνται σε μια βάση δεδομένων και οι ερευνητές χρησιμοποιούν εργαλεία για να προσδιορίσουν ποια γενετική αλληλουχία, ή δείκτη, σχετίζεται με ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό. Στη συνέχεια, αναζητώντας αυτόν τον δείκτη στο DNA ενός φυτού, μπορούν να προσδιορίσουν εάν διαθέτει την επιθυμητή ποιότητα.
Γιατί τα υβριδικά σταφύλια έχουν σημασία Ο Karn συγκρίνει τη διαδικασία με το να ξεφύγει από ένα βιβλίο και να αναζητήσει μερικές βασικές λέξεις αντί να διαβάσει ολόκληρο το κείμενο.
Μόλις εντοπιστεί το επιθυμητό χαρακτηριστικό, οι κτηνοτρόφοι κάνουν ένα σταυρό χρησιμοποιώντας συμβατικές τεχνικές και φυτεύουν τους προκύπτοντες σπόρους. Αντί να περιμένουν αρκετά χρόνια έως ότου η άμπελος αποδώσει καρπούς, οι κτηνοτρόφοι μπορούν να δουν αν τα αμπέλια φέρουν το επιθυμητό γονίδιο εντός μηνών.
Μόλις τα σπορόφυτα είναι μερικών μηνών, ο ιστός των φύλλων μπορεί να αναλυθεί για να διαπιστωθεί εάν το φυτό κληρονόμησε έναν συγκεκριμένο δείκτη DNA. Εάν το κάνει, ο κτηνοτρόφος μπορεί να συνεχίσει να καλλιεργεί το αμπέλι. Εάν όχι, μπορεί να απορριφθεί.
'[Η επιλογή υποβοηθούμενη από δείκτη] θα βοηθήσει τον δημιουργό να εξοικονομήσει χρόνο, χρήματα και χώρο', λέει ο Karn. 'Αυτή είναι η μεγάλη διαφορά, στη χρήση όλων αυτών των πληροφοριών και την ανάλυσή τους, σε σχέση με οποιαδήποτε συμβατική μέθοδο [αναπαραγωγής].'
Τι ισχύει για το μέλλον;
Πώς θα επηρεάσουν οι καταναλωτές οίνου την αναπαραγωγή σταφυλιών με τη βοήθεια υπολογιστή; Ο Karn λέει ότι τα αμπέλια που είναι ανθεκτικά σε ασθένειες ή προσαρμόζονται καλύτερα σε ένα μεταβαλλόμενο κλίμα θα διασφαλίσουν ότι οι οινοποιοί έχουν τα σταφύλια που χρειάζονται για να καλύψουν την αυξανόμενη ζήτηση των καταναλωτών.
«Θα έλεγα ότι το έργο που κάνουμε είναι σίγουρα να βοηθήσουμε τους [σταφυλιού] κτηνοτρόφους, εξοικονομώντας χρόνο και χρήμα και [βοηθώντας τους] να πάρουν πιο αποτελεσματικές αποφάσεις», λέει ο Karn. «Θα είναι σε θέση να παραδώσουν ένα καλύτερο προϊόν, το οποίο θα βοηθήσει στην παραγωγή κρασιού καλύτερης ποιότητας.»
Η αλήθεια πίσω από τα αγαπημένα σας κρασιά Ο Δρ Cantu λέει ότι εκτός από την ανάπτυξη νέων ποικιλιών σταφυλιών, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε το γενετικό υλικό των υπαρχόντων, αλλά λιγότερο γνωστών, ποικιλιών.
«Μιλάμε πολύ για το πώς η κλιματική αλλαγή θα καταστρέψει την αμπελουργία και την οινοποίηση, αλλά μπορούμε να εξερευνήσουμε τις διαθέσιμες ποικιλίες», λέει. «Υπάρχουν χιλιάδες από αυτούς εκεί έξω. Υπάρχουν [μερικά] που έχουν προσαρμοστεί για να καλλιεργούνται σε πολύ ζεστά και ξηρά κλίματα, όπως η νότια Ιταλία ή η νότια Ισπανία. Είναι πολύ καλύτερα προσαρμοσμένα στο περιβάλλον που αντιμετωπίζουμε τώρα, και ίσως ακόμη περισσότερο σε αυτό που αντιμετωπίζουμε στο μέλλον.
«Αυτό που βρίσκουμε στα ράφια μας θα έχει διαφορετικά ονόματα και διαφορετικές ετικέτες. Αλλά μπορεί να είναι ακόμα καλύτερο από αυτό που έχουμε τώρα. '
