摘要：2023年1月，密歇根州立大学Jeremy Pardo等研究人员在PANS发表了题为 Cross-species predictive modeling reveals conserved drought responses between maize and

2023年1月，密歇根州立大学Jeremy Pardo等研究人员在PANS发表了题为 Cross-species predictive modeling reveals conserved drought responses between maize and sorghum 的文章，证实了高粱、玉米等C4作物在干旱响应中相关核心基因的保守性。

关键词：预测建模；C4植物；玉米；干旱；迁移学习

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该研究收集干旱(水分缺失)和对照(水分充足)状态下RNA的测序数据，利用这些数据开发了一个模型预测所处环境状态(是否干旱)，从不同生育期、不同基因型和不同物种等多个维度的基因表达分析识别了与干旱响应相关的核心基因，以证实两种植物在进化过程中核心基因的保守性。

试验方法

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研究分析25种高粱各基因型在干旱及对恢复状态的RNA测序数据，发现在干旱阶段时有1761个基因上调、2317个基因下调，且不同基因型基因表达重叠少。以此定义了 “共享”和“独有” 基因集并对比功能差异，“共享” 集与热响应、蛋白质折叠、活性氧清除等相关，“独有” 集与蛋白质翻译、肽代谢、酰胺代谢等相关。

图1.不同田间种植的高粱基因型在自然干旱胁迫中的生理反应

图2.不同高粱基因型在干旱胁迫下的独特表达特征

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该研究基于460个高粱样本试验数据训练随机森林模型并优化，模型在不同数据集测试中准确率在82%到91%之间，表明在不同高粱品种中存在对干旱响应的保守基因表达模式。

图3.高粱干旱胁迫预测建模使用的基因表达数据

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研究发现将高梁预测模型应用到玉米数据上，准确率为85%，表明高粱和玉米在干旱响应途径上有显著的基因表达重叠，且这些重叠基因与干旱生理行为有显著关联，这些基因在多个基因型中保守表达，并涉及对非生物胁迫的响应。

图4.跨物种干旱胁迫预测建模

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通过计算有害突变指数SIFT(Sorting Intolerant from Tolerant)发现保守核心基因集的有害突变低于其它高表达基因，表明干旱相关核心基因集在进化上比其它高表达基因更保守，且在植物适应干旱中扮演着关键角色。

图5.干旱应答中主要预测因子的进化保守性与功能富集

该研究通过不同生育期、不同基因型及不同物种的RNA预测干旱的模型研究，证实了C4作物存在共享核心基因。虽然物种间干旱响应有差异，但该核心基因在不同基因型及发育阶段大体共享，且这些核心基因在进化中存在保守性。

来源：方瓶科学