নিউইয়র্ক বিশ্ববিদ্যালয়ের বিজ্ঞানীরা কৃষকদের তাদের ফসলের ফলন উন্নত করতে এবং নাইট্রোজেন সারের ব্যয় হ্রাস করতে সহায়তা করার লক্ষ্যে কোন জিনগুলি সম্মিলিতভাবে নাইট্রোজেন ব্যবহার করে এমন গাছগুলিতে নাইট্রোজেন ব্যবহার করে তা নির্ধারণের জন্য কৃত্রিম বুদ্ধিমত্তা ব্যবহার করছেন।
“নাইট্রোজেন ব্যবহারের ক্ষেত্রে গুরুত্বপূর্ণ-গুরুত্বপূর্ণতা চিহ্নিত করে আমরা ভুট্টার মতো বড় মার্কিন ফসলের মধ্যে নাইট্রোজেন ব্যবহারের দক্ষতা বাড়ানোর জন্য নির্দিষ্ট জিনের জন্য নির্বাচন বা এমনকি সংশোধন করতে পারি,” জিনোমিক্স এবং সিস্টেমের বায়োলজি বিভাগের জন্য এনওয়াইইউ বিভাগের ক্যারল এবং মিল্টন পেট্রি অধ্যাপক গ্লোরিয়া কোরুজি বলেছেন, যা জিনোমিকস এবং সিস্টেমস বায়োলজি বিভাগের জন্য উপস্থিত রয়েছে, উদ্ভিদ সেল।
গত ৫০ বছরে, কৃষকরা উদ্ভিদের প্রজনন ও সারের বড় উন্নতির জন্য বৃহত্তর ফসলের ফলন বাড়াতে সক্ষম হয়েছে, যার মধ্যে সারের মূল উপাদান নাইট্রোজেনকে কীভাবে দক্ষতার সাথে ফসল তুলতে এবং ব্যবহার করে তা সহ।
তবুও, বেশিরভাগ ফসল কেবল সারে নাইট্রোজেনের প্রায় 55 শতাংশ ব্যবহার করে যা কৃষকরা তাদের ক্ষেতগুলিতে প্রয়োগ করে, যখন বাকী অংশগুলি আশেপাশের মাটিতে শেষ হয়। নাইট্রোজেন যখন ভূগর্ভস্থ পানিতে প্রবেশ করে, তখন এটি পানীয় জলের দূষিত করতে পারে এবং হ্রদ, নদী, জলাধার এবং উষ্ণ সমুদ্রের জলে ক্ষতিকারক শেত্তলাগুলি প্রস্ফুটিত হতে পারে। তদুপরি, মাটিতে থাকা অব্যবহৃত নাইট্রোজেন ব্যাকটিরিয়া দ্বারা নাইট্রাস অক্সাইডে রূপান্তরিত হয়, একটি শক্তিশালী গ্রিনহাউস গ্যাস যা কার্বন ডাই অক্সাইডের চেয়ে 100 বছরের সময়কালে তাপ আটকে রাখতে 265 গুণ বেশি কার্যকর।
মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র বিশ্বের শীর্ষস্থানীয় প্রযোজক। এই প্রধান নগদ ফসলের জন্য প্রচুর পরিমাণে নাইট্রোজেন বৃদ্ধির প্রয়োজন হয় তবে ভুট্টা খাওয়ানো বেশিরভাগ সার নেওয়া হয় না বা ব্যবহার করা হয় না। কর্নের লো নাইট্রোজেন ব্যবহারের দক্ষতা কৃষকদের জন্য একটি আর্থিক চ্যালেঞ্জ উপস্থাপন করে, সারের ক্রমবর্ধমান ব্যয়কে কেন্দ্র করে – যার বেশিরভাগ আমদানি করা হয় – এবং মাটি, জল, বায়ু এবং জলবায়ুর ক্ষতি করার ঝুঁকিও রয়েছে।
ভুট্টা এবং অন্যান্য ফসলে এই চ্যালেঞ্জ মোকাবেলার জন্য, এনওয়াইইউ গবেষকরা নাইট্রোজেন ব্যবহারের দক্ষতা উন্নত করার জন্য একটি অভিনব প্রক্রিয়া তৈরি করেছেন যা উদ্ভিদ জেনেটিক্সকে মেশিন লার্নিংয়ের সাথে সংহত করে, এক ধরণের কৃত্রিম বুদ্ধিমত্তা যা ডেটাগুলিতে নিদর্শনগুলি সনাক্ত করে – এই ক্ষেত্রে, একটি বৈশিষ্ট্য (নাইট্রোজেন ব্যবহারের দক্ষতা) এর সাথে জিনকে সংযুক্ত করার জন্য।
একটি মডেল-টু-ফসলের পদ্ধতির ব্যবহার করে, এনওয়াইইউ গবেষকরা আরবিডোপসিসের সাথে ভাগ করা ভুট্টা জিনের বিবর্তনীয় ইতিহাস সন্ধান করেছিলেন, একটি ছোট ফুলের আগাছা প্রায়শই উদ্ভিদ জীববিজ্ঞানের মডেল জীব হিসাবে ব্যবহৃত হয় কারণ এটি ল্যাবটিতে আণবিক জেনেটিক পদ্ধতির শক্তি ব্যবহার করে অধ্যয়ন করার স্বাচ্ছন্দ্যের কারণে। একটি পূর্ববর্তী গবেষণায় প্রকাশিত প্রকৃতি যোগাযোগকুরুজির দল এমন জিনগুলি চিহ্নিত করেছিল যার নাইট্রোজেনের প্রতি প্রতিক্রিয়াশীলতা ভুট্টা এবং আরবিডোপসিসের মধ্যে সংরক্ষণ করা হয়েছিল এবং গাছপালায় তাদের ভূমিকা বৈধ করে তোলে।
মধ্যে উদ্ভিদ সেল অধ্যয়ন, এই বিষয়টিতে তাদের সাম্প্রতিকতম, এনওয়াইইউ গবেষকরা কীভাবে নাইট্রোজেন ব্যবহারের দক্ষতা জিনের গোষ্ঠী দ্বারা পরিচালিত হয় তা সনাক্ত করার জন্য তাদের কর্ন এবং আরবিডোপসিসে তাদের কাজের উপর ভিত্তি করে তৈরি করেছিলেন – এটি “রেগুলোনস” নামেও পরিচিত – যা একই ট্রান্সক্রিপশন ফ্যাক্টর (একটি নিয়ন্ত্রক প্রোটিন) দ্বারা সক্রিয় বা দমন করা হয়।
“নাইট্রোজেন ব্যবহারের দক্ষতা বা সালোকসংশ্লেষণের মতো বৈশিষ্ট্যগুলি কখনই একটি একক জিন দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয় না। মেশিন লার্নিং প্রক্রিয়াটির সৌন্দর্য হ’ল এটি জিনের সেটগুলি শিখায় যা সম্মিলিতভাবে কোনও বৈশিষ্ট্যের জন্য দায়ী, এবং ট্রান্সক্রিপশন ফ্যাক্টর বা কারণগুলি সনাক্ত করতে পারে যা জিনের এই সেটগুলি নিয়ন্ত্রণ করে,” কোরুজি বলেছিলেন।
গবেষকরা প্রথমে আরএনএ সিকোয়েন্সিং ব্যবহার করেছিলেন যে কীভাবে ভুট্টা এবং আরবিডোপসিসে জিনগুলি নাইট্রোজেন চিকিত্সায় প্রতিক্রিয়া জানায় তা পরিমাপ করতে। এই ডেটাগুলি ব্যবহার করে, তারা ভুট্টা এবং আরবিডোপসিস জাতগুলিতে সংরক্ষিত নাইট্রোজেন-প্রতিক্রিয়াশীল জিনগুলি সনাক্ত করতে মেশিন লার্নিং মডেলগুলিকে প্রশিক্ষণ দিয়েছিল, পাশাপাশি ট্রান্সক্রিপশন কারণগুলি যা নাইট্রোজেন ব্যবহারের দক্ষতা (এনইইউ) এর জিন-অফ-ইমপোর্টেন্সকে নিয়ন্ত্রণ করে। প্রতিটি “এনইইউ রেগুলন”-ট্রান্সক্রিপশন ফ্যাক্টর এবং নিয়ন্ত্রিত এনইইউ জিনের সংশ্লিষ্ট সেট-গবেষকরা একটি সম্মিলিত মেশিন লার্নিং স্কোর গণনা করেছিলেন এবং তারপরে সম্মিলিত এক্সপ্রেশন স্তরগুলি কতটা ভালভাবে অনুমান করতে পারে তার উপর ভিত্তি করে শীর্ষস্থানীয় পারফর্মারদের স্থান দিয়েছেন যে কর্নের মাঠে জন্মানো জাতগুলিতে নাইট্রোজেন কতটা দক্ষতার সাথে ব্যবহার করা হয় তা সঠিকভাবে অনুমান করতে পারে।
শীর্ষস্থানীয় এনইইউ নিয়ন্ত্রণের জন্য, গবেষকরা প্রতিটি ট্রান্সক্রিপশন ফ্যাক্টর দ্বারা নিয়ন্ত্রিত জিনোমে জিনের সেটগুলির জন্য মেশিন লার্নিং পূর্বাভাসকে বৈধতা দেওয়ার জন্য কর্ন এবং আরবিডোপসিস উভয় ক্ষেত্রেই সেল-ভিত্তিক অধ্যয়ন ব্যবহার করেছিলেন। এই পরীক্ষাগুলি দুটি কর্ন ট্রান্সক্রিপশন ফ্যাক্টর (জেডএমএমওয়াইবি 34/আর 3) এর জন্য এনইইউ রেগুলোনগুলি নিশ্চিত করেছে যা নাইট্রোজেন ব্যবহার নিয়ন্ত্রণকারী 24 জিনের পাশাপাশি আরবিডোপসিস (এটিডিআইভি 1) এর ঘনিষ্ঠভাবে সম্পর্কিত ট্রান্সক্রিপশন ফ্যাক্টরের জন্য নিয়ন্ত্রণ করে, যা 23 টি লক্ষ্য জিনকে নিয়ন্ত্রণ করে যা কর্নের সাথে জিনগত ইতিহাস ভাগ করে নেয় যা নাইট্রোজেন ব্যবহার নিয়ন্ত্রণ করে। যখন মেশিন লার্নিং মডেলগুলিতে ফেরত খাওয়ানো হয়, তখন এই মডেল-টু-ফসলের সংরক্ষণিত এনইইউ রেগুলোনগুলি ক্ষেত্র-বর্ধিত কর্ন জাতগুলিতে নাইট্রোজেন ব্যবহারের দক্ষতার পূর্বাভাস দেওয়ার এআইয়ের সক্ষমতা উল্লেখযোগ্যভাবে বাড়িয়ে তোলে।
নাইট্রোজেন ব্যবহার পরিচালনা করে এমন সম্মিলিত জিন এবং সম্পর্কিত ট্রান্সক্রিপশন কারণগুলির এনইইউ নিয়ন্ত্রনগুলি সনাক্তকরণ শস্য বিজ্ঞানীদের প্রজনন বা ইঞ্জিনিয়ার করতে সক্ষম করবে যার জন্য কম সার প্রয়োজন।
“বীজতলা পর্যায়ে কর্ন হাইব্রিডগুলি দেখে নাইট্রোজেন ব্যবহারের দক্ষতার জন্য চিহ্নিত জিন-অফ-ইমপোর্টেন্সের অভিব্যক্তি বেশি, বরং ক্ষেত্রের মধ্যে রোপণ করা এবং তাদের নাইট্রোজেনের ব্যবহার পরিমাপ করার পরিবর্তে আমরা আণবিক চিহ্নিতকারীগুলি ব্যবহার করতে পারি যা বীজত্যাগের পর্যায়ে হাইব্রিডগুলি নির্বাচন করতে ব্যবহার করতে পারি যা নাইট্রোজেন ব্যবহারে সর্বাধিক দক্ষ,” কোরুউইউইউইউইজি বলেছেন। “এর ফলে কেবল কৃষকদের জন্য ব্যয় সাশ্রয় হবে না, তবে ভূগর্ভস্থ জল এবং নাইট্রাস অক্সাইড গ্রিনহাউস গ্যাস নিঃসরণের নাইট্রোজেন দূষণের ক্ষতিকারক প্রভাবগুলিও হ্রাস করবে।”
নিউইয়র্ক বিশ্ববিদ্যালয় এই গবেষণাপত্রে বর্ণিত গবেষণা এবং অনুসন্ধানগুলি কভার করে একটি পেটেন্ট অ্যাপ্লিকেশন দায়ের করেছে। অতিরিক্ত অধ্যয়নের লেখকদের মধ্যে জি হুয়াং, টিম জেফারস, নাথান ডোনার, হ্যাং-জুই শিহ, সামান্থা ফ্রেঙ্গোস এবং এনওয়াইইউর মনপ্রীত সিং কাতারি অন্তর্ভুক্ত রয়েছে; এনওয়াইইউ এবং জাতীয় তাইওয়ান বিশ্ববিদ্যালয়ের চিয়া-ইয়ে চেং এবং মার্কিন কৃষি বিভাগের কৃষি গবেষণা পরিষেবা বিভাগের ম্যাথু ব্রুকস। গবেষণাটি জাতীয় বিজ্ঞান ফাউন্ডেশন প্ল্যান্ট জিনোম গবেষণা প্রোগ্রাম (আইওএস -1339362) এবং জাতীয় স্বাস্থ্য ইনস্টিটিউটস (R01-GM121753, F32GM116347) দ্বারা সমর্থিত ছিল।