Hoe computers worden gebruikt om druiven te hacken
Het is een bekend gezicht bij universiteiten en oenologie-instellingen in het hele land: rijen druivenstokken die staan voor jaren werk, elk met de hoop de wijnindustrie ten goede te veranderen.
Op het eerste gezicht lijkt het er niet op dat de technieken van de druivenveredeling door de eeuwen heen veel veranderd zijn. Kwekers bemesten de ene wijnstok met het stuifmeel van een andere, in de hoop nakomelingen te creëren die bestand zijn tegen ziekten en kwaliteitsdruiven produceren.
Maar achter de schermen steunt het druivenveredelingsonderzoek steeds meer op computers die genetische gegevens analyseren. De hoop is dat dit het tempo waarin nieuwe druivenrassen worden ontwikkeld, zal vergroten en de vitaliteit van de wijnindustrie zal waarborgen.
'Ik gebruik de analogie van 23andme wanneer ik probeer uit te leggen wat we doen', zegt Dr. Dario Cantu, universitair hoofddocent wijnbouw en oenologie bij Universiteit van Californië, Davis. 'Al deze bedrijven geven uw afkomst en uw kans om ziek te worden door bepaalde ziekten - ik denk dat dat is wat we doen, met vergelijkbare tools als deze bedrijven om snel genen in Italiaanse druiven te begrijpen.'
Dr. Cantu gebruikt computers om de genetische samenstelling van wijndruivenrassen te analyseren om de verschillen te begrijpen die verantwoordelijk zijn voor verschillende kenmerken. Veredelaars kunnen vervolgens proberen gewenste eigenschappen te combineren om originele variëteiten te creëren die mogelijk beter bestand zijn tegen ziekten en droogte, en nieuwe, unieke smaken bieden.
Kan de wetenschap onze favoriete wijnen bewaren? 'Ik ben zelf geen fokker', zegt Dr. Cantu. “Ik werk samen met Andy Walker [een collega-faculteitslid bij UC-Davis]. Hij is de fokker. We vullen elkaar aan in de zin dat hij de traditionele fokker is en ik de computermens, dus ik help hem de genetica te begrijpen van enkele van de eigenschappen waarin hij geïnteresseerd is.
“Dus wat Andy doet, is natuurlijke populaties wilde druiven screenen op ziekteresistentie - tegen echte meeldauw, enz. - en dan probeert hij die eigenschappen in gecultiveerde variëteiten te introduceren. Ik help hem de genetische basis van die eigenschappen te begrijpen. '
Druiven maken op de ouderwetse manier
Traditioneel zou een kweker twee ouderplanten selecteren met gewenste eigenschappen of fenotypes. De ene ouder kan bijvoorbeeld grote druiven hebben, maar een slechte ziektetolerantie, terwijl de andere misschien kleinere druiven heeft, maar resistent is tegen echte meeldauw. In dit geval zouden kwekers, door deze planten te kruisen, een nakomeling zoeken die de gewenste eigenschappen van grote bessen en ziekteresistentie bezat.
Zodra de fokker het stuifmeel van de mannelijke ouder heeft gebruikt om de vrouwelijke ouder te bevruchten, worden de resulterende zaden geplant. Het duurt vier tot zes jaar voordat de planten vruchten hebben afgeworpen en geëvalueerd.
De vangst? Het is niet gegarandeerd dat een van de nakomelingen de gewenste eigenschap zal erven. In potentie kunnen jaren van werk letterlijk vruchteloos blijken te zijn.
Dr. Lance Cadle-Davidson (staand) en Dr. Avi Karn analyseren grootschalige genetische gegevens voor gunstige druiveneigenschappen
De natuur een upgrade geven
Marker-geassisteerde veredeling is een manier waarop computers worden gebruikt in druivenonderzoek, een centraal onderdeel van de VitisGen2-project Deze methode maakt gebruik van DNA-gegevens om telers te helpen kiezen welke druivenzaailingen ze willen houden. Het doel is om planten te ontwikkelen met beter smakende druiven die beter bestand zijn tegen ziekten en plagen.
'In programma's voor het kweken van wijnstokken hebben we zoveel gegevens', zegt dr. Avinash Karn, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker van computationele biologie en kwantitatieve genetica bij Cornell universiteit 'Er zijn genetische gegevens, waaronder DNA-sequentiegegevens en fenotypegegevens. Fenotype-gegevens kunnen zijn [fysieke kenmerken zoals] ziekteresistentie, vruchtkwaliteit of aanpassingen zoals koude tolerantie. '
Karn zegt dat hoge rekenkracht cruciaal is om de enorme hoeveelheid informatie die wordt gegenereerd door een programma als VitisGen2 te analyseren.
Marker-assisted fokken is bedoeld om het fokproces te stroomlijnen. Ten eerste verzamelen onderzoekers fenotype en genetische gegevens voor specifieke wijnstokken. De informatie wordt in een database geplaatst en onderzoekers gebruiken tools om te bepalen welke genetische sequentie of merker bij een bepaald kenmerk hoort. Door vervolgens naar die marker in het DNA van een plant te zoeken, kunnen ze bepalen of deze de gewenste kwaliteit heeft.
Waarom hybride druiven belangrijk zijn Karn vergelijkt het proces met door een boek bladeren en op zoek naar een paar sleutelwoorden in plaats van de hele tekst te lezen.
Zodra de gewenste eigenschap is geïdentificeerd, maken veredelaars een kruising met behulp van conventionele technieken en planten ze de resulterende zaden. In plaats van een aantal jaren te wachten tot de wijnstok vrucht draagt, kunnen kwekers binnen enkele maanden zien of de wijnstokken het gewenste gen dragen.
Als de zaailingen een paar maanden oud zijn, kan het bladweefsel worden geanalyseerd om te zien of de plant een bepaalde DNA-marker heeft geërfd. Als dat het geval is, kan de fokker de wijnstok verder laten groeien. Als dit niet het geval is, kan het worden weggegooid.
'[Marker-assisted selection] zal de fokker helpen om tijd, geld en ruimte te besparen', zegt Karn. 'Dat is het grote verschil tussen het gebruik van al deze informatie en het analyseren ervan, vergeleken met elke conventionele [fok] methode.'
Wat heeft de toekomst in petto?
Welke invloed heeft computerondersteunde druivenveredeling op wijnconsumenten? Karn zegt dat wijnstokken die resistent zijn tegen ziekten of beter aangepast zijn aan een veranderend klimaat, ervoor zullen zorgen dat wijnmakers de druiven hebben die ze nodig hebben om aan de toenemende vraag van de consument te voldoen.
'Ik zou zeggen dat het werk dat we doen de [druiven] telers zeker zal helpen, door tijd en geld te besparen en [hen te helpen bij] het nemen van efficiëntere beslissingen', zegt Karn. 'Ze zullen een beter product kunnen afleveren, waardoor wijn van betere kwaliteit kan worden geproduceerd.'
De waarheid achter uw favoriete wijnen Dr. Cantu zegt dat het, naast de ontwikkeling van nieuwe druivenrassen, belangrijk is om het genetisch materiaal van bestaande, maar minder bekende cultivars te begrijpen.
'We praten veel over hoe klimaatverandering de wijnbouw en de wijnbereiding zal ruïneren, maar we kunnen de beschikbare cultivars verkennen', zegt hij. “Er zijn er duizenden. Er zijn er [enkele] die zijn aangepast om te worden geteeld in zeer hete en droge klimaten, zoals Zuid-Italië of Zuid-Spanje. Ze zijn veel beter aangepast aan de omgeving waarmee we nu worden geconfronteerd, en misschien zelfs meer aan de omgeving waarmee we in de toekomst worden geconfronteerd.
“Wat we in onze schappen vinden, krijgt verschillende namen en verschillende labels. Maar het is misschien zelfs beter dan wat we nu hebben. '
