大數(shù)據(jù)!馬鈴薯癌癥的“良藥”

來(lái)源：科技日?qǐng)?bào) 2019-10-28 14:26:52

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“太慘了，馬鈴薯葉子和莖稈上布滿了病斑，約2000畝的農(nóng)田可能顆粒無(wú)收，罪魁禍?zhǔn)拙褪峭硪卟?，該病又被稱為馬鈴薯癌癥。”前不久，貴州省貴陽(yáng)市息烽縣南撟村馬鈴薯田的“遭遇”，讓董莎萌十分憂心。

為緩解“疫情”，這位南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師和他的學(xué)生連夜對(duì)“患病”馬鈴薯進(jìn)行采樣分析，破解了致病菌的基因組，并篩選出兩款抗病性較好的馬鈴薯，推薦給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民。“明年，那里的農(nóng)民就可以種這些抗病品種了。”董莎萌說(shuō)。

這只是董莎萌接手的眾多“病例”之一。38歲的董莎萌像一位植保界的“外科醫(yī)生”，“追”著疫情跑遍全國(guó)的馬鈴薯晚疫病疫區(qū);他又像一位植保界的“碼農(nóng)”，開(kāi)發(fā)出馬鈴薯晚疫病大數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，研究我國(guó)晚疫病發(fā)病與流行規(guī)律。

日前，董莎萌在國(guó)際上首次在三維水平，對(duì)海量作物病菌信息實(shí)現(xiàn)了提取、運(yùn)算與分析，并對(duì)病菌的致病型進(jìn)行了高精度預(yù)測(cè)和模擬。

死磕3年繪成基因組圖譜

打開(kāi)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)馬鈴薯晚疫病卵菌菌株生化培養(yǎng)箱，一個(gè)個(gè)布滿菌絲的培養(yǎng)皿映入眼簾。在這個(gè)資源庫(kù)里，保存著450多份具有代表性的晚疫病菌株，這是董莎萌所在團(tuán)隊(duì)用12年收集來(lái)的。它們有的來(lái)自英國(guó)、荷蘭、法國(guó)，有的則來(lái)自我國(guó)黑龍江、福建、安徽、貴州等馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)。

“中國(guó)的馬鈴薯產(chǎn)量世界第一，且國(guó)家推行了馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，而晚疫病是馬鈴薯的頭號(hào)‘殺手’，若弄清了我國(guó)晚疫病的發(fā)病與流行的規(guī)律，就可讓農(nóng)民少打農(nóng)藥，指導(dǎo)他們精準(zhǔn)選育、豐產(chǎn)豐收了。”穿著白大褂，行走在實(shí)驗(yàn)室里的董莎萌腳步飛快。

由于對(duì)晚疫病的原有認(rèn)知不足，研究工具又很有限，至今我國(guó)學(xué)者對(duì)晚疫病的致病和成災(zāi)機(jī)制，還不是十分清楚。但2017年夏天的一個(gè)夜晚，董莎萌迎來(lái)了高光時(shí)刻。

那晚10點(diǎn)多，董莎萌和學(xué)生繪制的國(guó)際首個(gè)三維晚疫病表觀基因組圖譜問(wèn)世。此前，他們就此研究了近3年。

這張圖譜，源于董莎萌2014年開(kāi)始設(shè)計(jì)集成的一款晚疫病基因組的三維大數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。“以往國(guó)內(nèi)外科研人員分析晚疫病菌脫氧核糖核酸(DNA)時(shí)，只能以二維視角監(jiān)測(cè)基因序列是否發(fā)生變異。但三維系統(tǒng)，能看到每個(gè)基因序列的空間和結(jié)構(gòu)信息。”他說(shuō)。

跨越生物學(xué)和計(jì)算科學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行研究，這曾一度讓董莎萌陷入至暗時(shí)刻。“2015年前后，我感到非常痛苦，團(tuán)隊(duì)都是做生物研究的，而進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析需要懂算法。”董莎萌說(shuō)。

為惡補(bǔ)算法短板，董莎萌開(kāi)啟“學(xué)霸模式”，每天十幾個(gè)小時(shí)泡在實(shí)驗(yàn)室，一邊自學(xué)編程、算法，一邊四處給專家、同行寫(xiě)信求助，“但吃了不少閉門羹”。即便到了半夜12點(diǎn)，董莎萌辦公室的燈還常亮著。

最終，他將傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)20多天才能完成的晚疫病致病型數(shù)據(jù)分析，壓縮到了2天。如今，實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)庫(kù)里，已存儲(chǔ)了70余張我國(guó)菌株的2維基因組圖譜，三維的晚疫病菌表觀基因組圖譜已增至15張。

一聽(tīng)說(shuō)有疫情就奔赴疫區(qū)

戶外鞋、沖鋒衣、GPS定位儀、大量的采樣袋……這些東西堆滿了董莎萌的辦公室。一旦聽(tīng)說(shuō)哪里出現(xiàn)晚疫病疫情，他帶著這些“神器”，說(shuō)走就走。

“我們趕病害的，拖拖拉拉就可能錯(cuò)過(guò)最佳采樣時(shí)機(jī)了。”有一次，他上午10點(diǎn)接到電話，下午4點(diǎn)就出現(xiàn)在安徽省界首市的地頭上。

在我國(guó)，馬鈴薯晚疫病的發(fā)病率接近40%，由此每年造成的損失超過(guò)70億元。晚疫病，已日漸成為制約我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。

這些年，為了采集盡可能多的菌株，董莎萌先后來(lái)到黑龍江、內(nèi)蒙古、福建、安徽、云南、貴州、重慶、陜西、甘肅、寧夏、浙江等馬鈴薯產(chǎn)區(qū)。

晚疫病病情暴發(fā)的疫區(qū)，大多分布在山溝里。有一次，董莎萌帶著學(xué)生去寧夏省固原市采樣，下了飛機(jī)趕大巴再擠農(nóng)機(jī)車，跟雞鴨擠在一起，折騰了快兩天，最終才抵達(dá)晚疫病疫區(qū)。

更糟糕的情況是，采集到的晚疫病菌株未能被分離成功，采集結(jié)果無(wú)一有效。今年5月在湖南，團(tuán)隊(duì)上下連續(xù)4天進(jìn)行田間采樣，可最終還是失敗了。

“遇到不順，只能硬扛。”無(wú)助的時(shí)候，董莎萌說(shuō)，自己會(huì)獨(dú)自一人去操場(chǎng)上散步減壓，“最痛苦的一次，從下午4點(diǎn)走到晚上9點(diǎn)，腦中不停地分析失敗的原因”。

脆弱的一面，董莎萌會(huì)小心“藏”好，在學(xué)生眼中，“董老師總是充滿熱情，只要他認(rèn)準(zhǔn)的事，就會(huì)堅(jiān)持到底”。最讓大家津津樂(lè)道的，就是他曾歷時(shí)4年、輾轉(zhuǎn)30多家機(jī)構(gòu)，找到2008年導(dǎo)致我國(guó)西南地區(qū)馬鈴薯晚疫病暴發(fā)的菌株樣本。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù) 馬鈴薯癌癥