北京科研团队创新数学模型破解植物基因密码 精准育种有望实现"基因导航"

长期以来,培育优良树种面临“周期长、成本高、可控性弱”的现实难题。

以林木为例,生长慢、世代周期长,传统杂交与田间选择往往需要跨越多年甚至数代研究者接续完成。

更关键的是,许多重要农林性状并非由单一基因决定,而是由多个基因及其相互作用共同塑造,呈现出非线性、阶段性和环境敏感等复杂特征。

这使得“找到关键基因并解释性状形成机制”成为现代生物学与育种学的核心挑战之一。

造成这一难题的根源,在于复杂性状背后存在庞大的基因互作网络。

单个基因的效应可能并不显著,但多个基因在特定时空条件下协同或拮抗,会产生超出线性叠加的结果;同时,基因之间的调控强弱也会随生长发育阶段发生变化。

传统统计方法更擅长识别“单点关联”,对“网络级互作”与“动态变化”的刻画能力不足,容易导致关键路径被遮蔽,育种决策难以做到“按图索骥”。

针对这一痛点,邬荣领团队在既有研究基础上,提出个性化全基因组互作组网络模型,并结合团队建立的统计物理学网络建模框架,实现对个体尺度基因互作图谱的推断与解析。

研究思路强调把遗传系统视作复杂网络,通过数学建模与统计推断,识别哪些基因在关键节点上发挥主导作用、哪些互作关系决定了性状走向,从而把“性状差异从哪里来”转化为可分析、可量化、可预测的问题。

研究人员指出,该方法有助于解释复杂系统中的“涌现效应”,即多个基因共同作用产生“一加一大于二”的整体表现。

这一模型的意义,首先体现在为精准育种建立更清晰的“导航图”。

在全基因组数据不断积累的背景下,如何从海量信息中提炼可用于改良的有效线索,是育种实践迫切需要解决的环节。

通过构建个体化互作网络,育种者不仅能看到“有哪些基因与性状相关”,还可进一步理解“它们如何相互影响、在哪些环节形成瓶颈”,从而为定制化改良方案提供依据。

这种从“相关”走向“机制”的跨越,有助于提高育种决策的可解释性与可操作性。

梅树成为该模型开展验证研究的对象之一。

研究团队结合全基因组数据与株高、地径等表型数据,对比快长树与慢长树的生长机制差异。

模型结果显示,快长树的基因网络中正向促进关系占比较高,整体调控环境更有利于生长;而慢长树关键生长基因受到其他基因网络的显著抑制,导致优势潜力难以释放。

基于这一推断,研究提出可通过定向干预负调控因子来解除抑制,进而“唤醒”被压制的优良基因,使慢长类型具备追赶甚至反超的可能。

相关判断为后续实验验证和育种策略设计提供了明确靶向。

从对策层面看,该研究为“数学—生命科学—育种应用”提供了一条可复制的协作路径:一是以高质量表型与基因组数据为基础,建立可解释、可检验的互作网络;二是围绕关键节点与关键边提出可操作的干预方案,为基因编辑或分子设计育种提供候选目标;三是通过多点、多环境验证,逐步把模型预测转化为可落地的品种改良方案。

业内人士认为,随着数据标准化与育种平台建设推进,这类方法有望在林木、果树等育种周期较长的领域率先体现价值。

前景方面,研究团队认为,个体水平的基因动态互作图谱绘制方法不仅可服务于林业精准育种,也具备向动物育种等方向推广的潜力。

更重要的是,它为数量遗传学研究提供了新的理论视角:从关注单基因效应转向理解网络结构与系统行为,从静态关联迈向动态机制。

随着生物信息学、统计学与实验验证体系进一步融合,“用数学预测性状、用实验验证路径、用工程化手段实现改良”的闭环有望加速形成,为我国在遗传改良与种业科技创新领域提供新的增长点。

当数学公式与遗传密码产生共振,这场基础学科的跨界融合正在重塑生命科学的认知边界。

该研究不仅为保障粮食安全、生态安全提供新质生产力,更启示我们:在科技自立自强的道路上,破解"卡脖子"难题的关键,往往藏于学科交叉的无人区。

正如邬荣领所言:"用中国数学家创造的算法解析生命之谜,这才是源头创新的应有之义。

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