Hvordan computere bruges til at hacke druer
Det er et velkendt syn på universiteter og ønologiske institutioner over hele landet: rækker af vindruer, der repræsenterer mange års arbejde, hver med håb om at ændre vinindustrien til det bedre.
Ved første øjekast ser det ikke ud til, at drueopdrætsteknikker har ændret sig meget gennem århundrederne. Opdrættere befrugter et vin med pollen fra et andet, i håb om at skabe afkom, der kan modstå sygdom og producere druer af høj kvalitet.
Men bag kulisserne afhænger drueopdræt i stigende grad af computere, der analyserer genetiske data. Håbet er, at dette vil øge den hastighed, hvormed nye druesorter udvikles og sikre vinfremstillingsindustriens vitalitet.
'Jeg bruger analogien med 23andme, når jeg prøver at forklare, hvad vi laver,' siger Dr. Dario Cantu, lektor i vinavl og enologi ved University of California, Davis. 'Alle disse virksomheder, der giver dit forfædre og din sandsynlighed for at blive syge af nogle sygdomme - det tror jeg, vi laver ved hjælp af lignende værktøjer som disse virksomheder til hurtigt at forstå gener i italienske druer.'
Dr. Cantu bruger computere til at analysere den genetiske sammensætning af druer af vindruer for at forstå forskellene, der er ansvarlige for forskellige egenskaber. Opdrættere kan derefter forsøge at kombinere ønskelige træk for at skabe originale sorter, der kan være mere modstandsdygtige over for sygdom og tørke, og tilbyde nye, unikke smag.
Kan videnskab redde vores yndlingsvine? ”Jeg er ikke opdrætter selv,” siger Dr. Cantu. ”Jeg samarbejder med Andy Walker [et andet fakultetsmedlem ved UC-Davis]. Han er opdrætter. Vi supplerer hinanden i den forstand, at han er den traditionelle opdrætter, og jeg er computeren, så jeg hjælper ham med at forstå genetikken i nogle af de træk, han er interesseret i.
”Så hvad Andy gør er at screene naturlige populationer af vilde druer for sygdomsresistens - mod meldug osv. - og så forsøger han at introducere disse træk i dyrkede sorter. Jeg hjælper ham med at forstå det genetiske grundlag for disse træk. ”
Fremstilling af druer på den gammeldags måde
Traditionelt ville en opdrætter vælge to moderplanter med ønskelige træk eller fænotyper. For eksempel kan den ene forælder have store druer, men dårlig sygdomstolerance, mens den anden kan have mindre druer, men være modstandsdygtig over for meldug. I dette tilfælde ville opdrættere ved at krydse disse planter søge et afkom, der havde de ønskelige træk ved store bær og sygdomsresistens.
Når opdrætteren har brugt pollen fra den mandlige forælder til at befrugte den kvindelige forælder, plantes de resulterende frø. Det vil tage fire til seks år for planterne at bære frugt og blive evalueret.
Fangsten? Det er ikke garanteret, at nogen af afkomene arver det ønskede træk. Potentielt kunne mange års arbejde bogstaveligt talt vise sig at være frugtløse.
Dr. Lance Cadle-Davidson (stående) og Dr. Avi Karn, analyserer genetiske data i stor skala for gunstige drueegenskaber
At give naturen en opgradering
Markørassisteret avl er en måde, hvorpå computere bruges til drueforskning, en central del af VitisGen2-projekt . Denne metode bruger DNA-data til at hjælpe opdrættere med at vælge, hvilke drueplanter der skal holdes. Målet er at udvikle planter med bedre smagende druer, der er mere sygdoms- og skadedyrsresistente.
'I vinavlsprogrammer har vi så mange data,' siger Dr. Avinash Karn, en postdoktoral forskningsassistent inden for beregningsbiologi og kvantitativ genetik ved Cornell University . ”Der er genetiske data, der inkluderer DNA-sekventeringsdata og fænotypedata. Fænotypedata kan være [fysiske træk som] sygdomsresistens, frugtkvalitet eller tilpasninger som koldtolerance. ”
Karn siger, at høj computerkraft er afgørende for at analysere den svimlende mængde information, der genereres fra et program som VitisGen2.
Markørassisteret avl søger at strømline avlsprocessen. For det første indsamler forskere fænotype og genetiske data for specifikke vindruer. Oplysningerne sættes i en database, og forskere bruger værktøjer til at bestemme, hvilken genetisk sekvens eller markør, der er forbundet med et bestemt træk. Derefter kan de bestemme, om den har den ønskede kvalitet ved at lede efter denne markør i en plantes DNA.
Hvorfor hybrid druer er vigtige Karn sammenligner processen med at skimme gennem en bog og lede efter et par nøgleord i stedet for at læse hele teksten.
Når det ønskede træk er blevet identificeret, krydser opdrættere ved hjælp af konventionelle teknikker og planter de resulterende frø. I stedet for at vente flere år, indtil vinstokken bærer frugt, kan opdrættere se, om vinstokke bærer det ønskede gen inden for måneder.
Når kimplanterne er få måneder gamle, kan bladvævet analyseres for at se, om planten arvede en bestemt DNA-markør. Hvis det sker, kan opdrætteren fortsætte med at dyrke vinstokken. Hvis ikke, kan det kasseres.
'[Markørassisteret markering] hjælper opdrætteren med at spare tid, penge og plads,' siger Karn. 'Det er den store forskel i at bruge alle disse oplysninger og analysere dem over enhver konventionel [avlsmetode'. '
Hvad har fremtiden?
Hvordan vil computerassisteret drueavl påvirke vinforbrugere? Karn siger, at vinstokke, der er resistente over for sygdomme eller bedre tilpasset et skiftende klima, vil sikre, at vinproducenter har de druer, de har brug for, for at imødekomme den stigende forbrugernes efterspørgsel.
”Jeg vil sige, at det arbejde, vi udfører, bestemt vil hjælpe [drue] opdrættere ved at spare tid og penge og [hjælpe dem med] at træffe mere effektive beslutninger,” siger Karn. 'De vil være i stand til at levere et bedre produkt, som vil hjælpe med at producere vin af bedre kvalitet.'
Sandheden bag dine yndlingsvine Dr. Cantu siger, at det ud over udviklingen af nye druesorter er vigtigt at forstå det genetiske materiale fra eksisterende, men mindre kendte sorter.
”Vi taler meget om, hvordan klimaforandringer vil ødelægge vinavl og vinfremstilling, men vi kan undersøge de tilgængelige sorter,” siger han. ”Der er tusinder af dem derude. Der er [nogle] der er tilpasset til at blive dyrket i meget varme og tørre klimaer, som det sydlige Italien eller det sydlige Spanien. De er meget bedre tilpasset det miljø, vi står over for nu, og måske endnu mere det, vi står over for i fremtiden.
”Det, vi finder i vores hylder, vil have forskellige navne og forskellige mærker. Men det kan være endnu bedre end det, vi har lige nu. ”
