Preview

Вавиловский журнал генетики и селекции

Расширенный поиск

SmartCrop: база знаний молекулярно-генетических механизмов адаптации риса и пшеницы к стрессовым факторам

https://doi.org/10.18699/vjgb-25-129

Аннотация

Изучение молекулярно-генетических механизмов реакций растений на специфические условия роста и стрессовые факторы – одно из приоритетных направлений исследований, нацеленных на создание новых сортов сельскохозяйственных культур, в частности риса и пшеницы. К числу таких факторов относятся абиотические стрессы (высокие или низкие температуры, засуха, засоление, загрязнение почвы металлами), биотические стрессы (патогены, вредители), а также реакции растений на регуляторные факторы (удобрения, гормоны, элиситоры и другие соединения). Современные исследования в области генетики растений основаны на понимании того, что формирование любых фенотипических характеристик (молекулярно-генетических, биохимических, физиологических, морфологических и др.) контролируется генными сетями – группами согласованно функционирующих генов, взаимодействующих через свои продукты (РНК, белки и метаболиты). Ранее с целью реконструкции генных сетей, значимых для биологии и биомедицины, нами была разработана интеллектуальная компьютерная система ANDSystem, предназначенная для автоматизированного извлечения знаний из текстов научных публикаций и баз данных. В настоящей работе, используя адаптированную версию ANDSystem для растений, мы создали базу знаний SmartCrop для решения задач, связанных с изучением молекулярно-генетических механизмов взаимодействий «генотип–фенотип–среда» для сельскохозяйственно ценных культур риса и пшеницы. SmartCrop предназначена для помощи исследователям в решении таких задач, как интерпретация результатов омиксных экспериментов на растениях: установление связей между наборами генов и биологическими процессами, фенотипическими признаками и др.; реконструкция генных сетей, описывающих отношения между молекулярно-генетическими объектами и понятиями в селекции, феномике, семеноводстве, фитопатологии; выявление регуляторных и сигнальных путей, ответных реакций растений на специфические условия роста и биотические и абиотические стрессы; прогнозирование генов-кандидатов для генотипирования; поиск маркеров для маркер-опосредованной селекции; выявление потенциальных мишеней (генов и белков) для субстанций, влияющих на растения (контролирующих процессы прорастания семян, вегетативного роста, эффективного поглощения питательных веществ и улучшения устойчивости к стрессовым факторам).

Об авторах

П. С. Деменков
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Новосибирск



Т. В. Иванисенко
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Новосибирск



М. А. Клещев
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Новосибирск



Е. А. Антропова
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Новосибирск



И. В. Яцык
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Новосибирск



А. Р. Волянская
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Новосибирск



А. В. Адамовская
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Новосибирск



А. В. Мальцева
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Новосибирск



А. С. Вензель
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Новосибирск



Х. Чао
Факультет биоинформатики, Колледж естественных наук, Чжэцзянский университет
Китай

Ханчжоу



М. Чен
Факультет биоинформатики, Колледж естественных наук, Чжэцзянский университет
Китай

Ханчжоу



В. А. Иванисенко
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Новосибирск



Список литературы

1. Alyahya N., Taybi T. Comparative transcriptomic profiling reveals dif ferentially expressed genes and important related metabolic path ways in shoots and roots of a Saudi wheat cultivar (Najran) under salinity stress. Front Plant Sci. 2023;14:1225541. doi 10.3389/fpls.2023.1225541

2. Antropova E.A., Volyanskaya A.R., Adamovskaya A.V., Demen kov P.S., Yatsyk I.V., Ivanisenko T.V., Orlov Y.L., Haoyu Ch., Chen M., Ivanisenko V.A. Computational identification of promis ing genetic markers associated with molecular mechanisms of re duced rice resistance to Rhizoctonia solani under excess nitrogen fertilization using gene network reconstruction and analysis methods. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Gene tics and Breeding. 2024;28(8):960-973. doi 10.18699/vjgb-24-103

3. Ayadi M., Brini F., Masmoudi K. Overexpression of a wheat aquapo rin gene, TdPIP2;1, enhances salt and drought tolerance in trans genic durum wheat cv. Maali. Int J Mol Sci. 2019;20(10):2389. doi 10.3390/ijms20102389

4. Chao H., Zhang S., Hu Y., Ni Q., Xin S., Zhao L., Ivanisenko V.A., Orlov Y.L., Chen M. Integrating omics databases for enhanced crop breeding. J Integr Bioinform. 2023;20(4):20230012. doi 10.1515/jib-2023-0012

5. Chen T., Nomura K., Wang X., Sohrabi R., Xu J., Yao L., Paasch B.C., Ma L., Kremer J., Cheng Y., Zhang L., Wang N., Wang E., Xin X.F., He S.Y. A plant genetic network for preventing dysbiosis in the phyl losphere. Nature. 2020;580(7805):653-657. doi 10.1038/s41586020-2185-0

6. Cheng M., Zhu Y., Yu H., Shao L., Zhang Y., Li L., Tu H., … Orlov Y.L., Chen D., Wong A., Yang Y.E., Chen M. Non-coding RNA nota tions, regulations and interactive resources. Funct Integr Genomics. 2024;24(6):217. doi 10.1007/s10142-024-01494-w

7. Colebrook E.H., Thomas S.G., Phillips A.L., Hedden P. The role of gib berellin signalling in plant responses to abiotic stress. J Exp Biol. 2014;217(1):67-75. doi 10.1242/jeb.089938

8. Demenkov P.S., Ivanisenko T.V., Kolchanov N.A., Ivanisenko V.A. ANDVisio: a new tool for graphic visualization and analysis of literature mined associative gene networks in the ANDSystem. In Silico Biol. 2012;11(3-4):149-161. doi 10.3233/isb-2012-0449

9. Demenkov P.S., Saik O.V., Ivanisenko T.V., Kolchanov N.A., Koche tov A.V., Ivanisenko V.A. Prioritization of potato genes involved in the formation of agronomically valuable traits using the SOLA NUM TUBEROSUM knowledge base. Vavilovskii Zhurnal Gene tiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2019; 23(3):312-319. doi 10.18699/VJ19.501

10. Demenkov P.S., Oshchepkova E.A., Ivanisenko T.V., Ivanisenko V.A. Prioritization of biological processes based on the reconstruction and analysis of associative gene networks describing the response of plants to adverse environmental factors. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2021;25(5):580-592. doi 10.18699/VJ21.065

11. Do H., Than K., Larmande P. Evaluating named-entity recognition ap proaches in plant molecular biology. In: Multi-disciplinary Trends in Artificial Intelligence. MIWAI 2018. Lecture Notes in Computer Science. Vol. 11248. Springer, Cham., 2018;219-225. doi 10.1007/978-3-030-03014-8_19

12. D’Souza J. Agriculture named entity recognition – towards FAIR, reusable scholarly contributions in agriculture. Knowledge. 2024; 4(1):1-26. doi 10.3390/knowledge4010001

13. Gemma Team, Google DeepMind. Gemma 2: improving open language models at a practical size. arXiv. 2024:2408.00118. doi 10.48550/arXiv.2408.00118

14. Guindani L.G., Oliveirai G.A., Ribeiro M.H.D.M., Gonzalez G.V., de Lima J.D. Exploring current trends in agricultural commodities fore casting methods through text mining: developments in statistical and artificial intelligence methods. Heliyon. 2024;10(23):e40568. doi 10.1016/j.heliyon.2024.e40568

15. Gupta A., Shaw B.P., Sahu B.B. Post-translational regulation of the membrane transporters contributing to salt tolerance in plants. Funct Plant Biol. 2021;48(12):1199-1212. doi 10.1071/FP21153

16. Hamilton W.L., Ying R., Leskovec J. Inductive representation learning on large graphs. arXiv. 2017. doi 10.48550/arxiv.1706.02216

17. Hoai P.T.T., Tyerman S.D., Schnell N., Tucker M., McGaughey S.A., Qiu J., Groszmann M., Byrt C.S. Deciphering aquaporin regulation and roles in seed biology. J Exp Bot. 2020;71(6):1763-1773. doi 10.1093/jxb/erz555

18. Islamaj R., Wei C.H., Cissel D., Miliaras N., Printseva O., Rodio nov O., Sekiya K., Ward J., Lu Z. NLM-Gene, a richly annotated gold standard dataset for gene entities that addresses ambiguity and multi-species gene recognition. J Biomed Inform. 2021;118:103779. doi 10.1016/j.jbi.2021.103779

19. Ivanisenko T.V., Demenkov P.S., Ivanisenko V.A. Text mining on PubMed. In: Chen M., Hofestädt R. (Eds) Approaches in Integrative Bioinformatics. Springer, 2014;161-170. doi 10.1007/978-3-64241281-3_6

20. Ivanisenko T.V., Saik O.V., Demenkov P.S., Khlestkin V.K., Khlest kina E.K., Kolchanov N.A., Ivanisenko V.A. The SOLANUM TUBEROSUM knowledge base: the section on molecular-genetic regulation of metabolic pathways. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018;22(1): 8-17. doi 10.18699/VJ18.325 (in Russian)

21. Ivanisenko T.V., Saik O.V., Demenkov P.S., Ivanisenko N.V., Savostia nov A.N., Ivanisenko V.A. ANDDigest: a new web-based module of ANDSystem for the search of knowledge in the scientific literature. BMC Bioinformatics. 2020;21(S11):228. doi 10.1186/s12859-02003557-8

22. Ivanisenko T.V., Demenkov P.S., Kolchanov N.A., Ivanisenko V.A. The new version of the ANDDigest tool with improved AI-based short names recognition. Int J Mol Sci. 2022;23(23):14934. doi 10.3390/ijms232314934

23. Ivanisenko T.V., Demenkov P.S., Ivanisenko V.A. An accurate and effi cient approach to knowledge extraction from scientific publications using structured ontology models, graph neural networks, and large language models. Int J Mol Sci. 2024;25(21):11811. doi 10.3390/ijms252111811

24. Ivanisenko V.A., Saik O.V., Ivanisenko N.V., Tiys E.S., Ivanisenko T.V., Demenkov P.S., Kolchanov N.A. ANDSystem: an Associative Net work Discovery System for automated literature mining in the field of biology. BMC Syst Biol. 2015;9(Suppl.2):S2. doi 10.1186/17520509-9-s2-s2

25. Ivanisenko V.A., Demenkov P.S., Ivanisenko T.V., Mishchenko E.L., Saik O.V. A new version of the ANDSystem tool for automatic ex traction of knowledge from scientific publications with expanded functionality for reconstruction of associative gene networks by considering tissue-specific gene expression. BMC Bioinformatics. 2019;20(S1):34. doi 10.1186/s12859-018-2567-6

26. Kanehisa M. Molecular network analysis of diseases and drugs in KEGG. In: Mamitsuka H., DeLisi C., Kanehisa M. (Eds) Data Mining for Systems Biology. Methods in Molecular Biology. Vol. 939. Humana Press, 2013;263-275. doi 10.1007/978-1-62703-107-3_17

27. Kleshchev M.A., Maltseva A.V., Antropova E.A., Demenkov P.S., Ivanisenko T.V., Orlov Y.L., Chao H., Chen M., Kolchanov N.A., Ivanisenko V.A. Reconstruction and computational analysis of the microRNA regulation gene network in wheat drought response mechanisms. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Jour nal of Genetics and Breeding. 2024;28(8):904-917. doi 10.18699/vjgb-24-98

28. Kong W., Sun T., Zhang C., Deng X., Li Y. Comparative tran scriptome analysis reveals the mechanisms underlying dif ferences in salt to lerance between indica and japonica rice at seedling stage. Front Plant Sci. 2021;12:725436. doi 10.3389/fpls.2021.725436

29. Krallinger M., Rabal O., Leitner F., Vazquez M., Salgado D., Lu Z., Leaman R., … Alves R., Segura-Bedmar I., Martínez P., Oyarza bal J., Valencia A. The CHEMDNER corpus of chemicals and drugs and its annotation principles. J Cheminform. 2015;7(S1):S2. doi 10.1186/1758-2946-7-s1-s2

30. Lei L., Cao L., Ding G., Zhou J., Luo Y., Bai L., Xia T., … Xie T., Yang G., Wang X., Sun S., Lai Y. OsBBX11 on qSTS4 links to salt tolerance at the seeding stage in Oryza sativa L. ssp. Japonica. Front Plant Sci. 2023;14:1139961. doi 10.3389/fpls.2023.1139961

31. Lesk C., Rowhani P., Ramankutty N. Influence of extreme weather di sasters on global crop production. Nature. 2016;529(7584):84-87. doi 10.1038/nature16467

32. Liu L., Liu E., Hu Y., Li S., Zhang S., Chao H., Hu Y., Zhu Y., Chen Y., Xie L., Shen Y., Wu L., Chen M. ncPlantDB: a plant ncRNA data base with potential ncPEP information and cell type-specific interac tion. Nucleic Acids Res. 2025;53(D1):D1587-D1594. doi 10.1093/nar/gkae1017

33. Mittler R. Abiotic stress, the field environment and stress combina tion. Trends Plant Sci. 2006;11(1):15-19. doi 10.1016/j.tplants.2005.11.002

34. Naithani S., Gupta P., Preece J., D’Eustachio P., Elser J.L., Garg P., Dikeman D.A., … Bolton E., Papatheodorou I., Stein L., Ware D., Jaiswal P. Plant Reactome: a knowledgebase and resource for com parative pathway analysis. Nucleic Acids Res. 2020;48(D1):D1093 D1103. doi 10.1093/nar/gkz996

35. Ni Y., Aghamirzaie D., Elmarakeby H., Collakova E., Li S., Grene R., Heath L.S. A machine learning approach to predict gene regulato ry networks in seed development in Arabidopsis. Front Plant Sci. 2016;7:1936. doi 10.3389/fpls.2016.01936

36. Nykiel M., Gietler M., Fidler J., Prabucka B., Labudda M. Abiotic stress signaling and responses in plants. Plants. 2023;12(19):3405. doi 10.3390/plants12193405

37. Otasek D., Morris J.H., Bouças J., Pico A.R., Demchak B. Cyto scape Automation: empowering workflow-based network analysis. Genome Biol. 2019;20(1):185. doi 10.1186/s13059-019-1758-4

38. Pearson H. Biology’s name game. Nature. 2001;411(6838):631-632. doi 10.1038/35079694

39. Saha C., Saha S., Bhattacharyya N.P. LncRNAOmics: a comprehensive review of long non-coding RNAs in plants. Genes. 2025;16(7):765. doi 10.3390/genes16070765

40. Saik O.V., Demenkov P.S., Ivanisenko T.V., Kolchanov N.A., Ivan isenko V.A. Development of methods for automatic extraction of knowledge from texts of scientific publications for the crea tion of a knowledge base SOLANUM TUBEROSUM. Agric Biol. 2017;52(1):63-74. doi 10.15389/agrobiology.2017.1.63eng

41. Shewry P.R., Hey S.J. The contribution of wheat to human diet and health. Food Energy Secur. 2015;4(3):178-202. doi 10.1002/fes3.64

42. Shrestha A.M.S., Gonzales M.E.M., Ong P.C.L., Larmande P., Lee H.S., Jeung J.U., Kohli A., Chebotarov D., Mauleon R.P., Lee J.S., McNally K.L. RicePilaf: a post-GWAS/QTL dashboard to integrate pangenomic, coexpression, regulatory, epigenomic, ontology, path way, and text-mining information to provide functional insights into rice QTLs and GWAS loci. GigaScience. 2024;13:giae013. doi 10.1093/gigascience/giae013

43. Statello L., Guo C.J., Chen L.L., Huarte M. Gene regulation by long non-coding RNAs and its biological functions. Nat Rev Mol Cell Biol. 2021;22:96-118. doi 10.1038/s41580-020-00315-9

44. Sun X., Zheng H., Sui N. Regulation mechanism of long non-coding RNA in plant response to stress. Biochem Biophys Res Commun. 2018;503(2):402-407. doi 10.1016/j.bbrc.2018.07.072

45. Supriya P., Srividya G.K., Solanki M., Manvitha D., Prakasam V., Balakrishnan M., Neeraja C.N., Rao C.S., Sundaram R.M., Man grauthia S.K. Identification and expression analysis of long non coding RNAs of rice induced during interaction with Rhizoctonia solani. Physiol Mol Plant Pathol. 2024;134:102389. doi 10.1016/j.pmpp.2024.102389

46. Szklarczyk D., Gable A.L., Nastou K.C., Lyon D., Kirsch R., Pyysa lo S., Doncheva N.T., Legeay M., Fang T., Bork P., Jensen L.J., von Mering C. The STRING database in 2021: customizable protein protein networks, and functional characterization of user-uploaded gene/measurement sets. Nucleic Acids Res. 2021;49(D1):D605 D612. doi 10.1093/nar/gkaa1074

47. Tian F., Yang D.C., Meng Y.Q., Jin J., Gao G. PlantRegMap: chart ing functional regulatory maps in plants. Nucleic Acids Res. 2020; 48(D1):D1104-D1113. doi 10.1093/nar/gkz1020

48. Vaswani A., Shazeer N., Parmar N., Uszkoreit J., Jones L., Gomez A.N., Kaiser L., Polosukhin I. Attention is all you need. arXiv. 2017. doi 10.48550/arXiv.1706.03762

49. Verma V., Ravindran P., Kumar P.P. Plant hormone-mediated regulation of stress responses. BMC Plant Biol. 2016;16(1):86. doi 10.1186/s12870-016-0771-y Virlouvet

50. L., Avenson T.J., Du Q., Zhang C., Liu N., Fromm M., Avramova Z., Russo S.E. Dehydration stress memory: gene net works linked to physiological responses during repeated stresses of Zea mays. Front Plant Sci. 2018;9:1058. doi 10.3389/fpls.2018.01058

51. Volyanskaya A.R., Antropova E.A., Zubairova U.S., Demenkov P.S., Venzel A.S., Orlov Y.L., Makarova A.A., Ivanisenko T.V., Gorsh kova T.A., Aglyamova A.R., Kolchanov N.A., Chen M., Ivanisen ko V.A. Reconstruction and analysis of the gene regulatory network for cell wall function in Arabidopsis thaliana L. leaves in response to water deficit. Vavilov J Genet Breed. 2023;27(8):1031-1041. doi 10.18699/vjgb-23-118

52. Wang S., Shi M., Zhang Y., Xie X., Sun P., Fang C., Zhao J. FvMYB24, a strawberry R2R3-MYB transcription factor, improved salt stress tolerance in transgenic Arabidopsis. Biochem Biophysical Res Com mun. 2021;569:93-99. doi 10.1016/j.bbrc.2021.06.085

53. Wang X., Niu Y., Zheng Y. Multiple functions of MYB transcription factors in abiotic stress responses. Int J Mol Sci. 2021;22(11):6125. doi 10.3390/ijms22116125

54. Wei T., Guo D., Liu J. PtrMYB3, a R2R3-MYB transcription factor from Poncirus trifoliata, negatively regulates salt tolerance and hydrogen peroxide scavenging. Antioxidants. 2021;10(9):1388. doi 10.3390/antiox10091388

55. Yan J., Wang X. Unsupervised and semi‐supervised learning: the next frontier in machine learning for plant systems biology. Plant J. 2022;111(6):1527-1538. doi 10.1111/tpj.15905

56. Zhang D., Zhao R., Xian G., Kou Y., Ma W. A new model construc tion based on the knowledge graph for mining elite polyphenotype genes in crops. Front Plant Sci. 2024;15:1361716. doi 10.3389/fpls.2024.1361716

57. Zhao S., Zhang Q., Liu M., Zhou H., Ma C., Wang P. Regulation of plant responses to salt stress. Int J Mol Sci. 2021;22(9):4609. doi 10.3390/ijms22094609


Рецензия

Просмотров: 5


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2500-3259 (Online)