База знаний Plant_hormones 1.1 по регуляторам роста и развития растений

ВВЕДЕНИЕ. Фитогормоны – это низкомолекулярные вещества, вырабатывающиеся в растениях и регулирующие практически все аспекты их роста и развития от эмбриогенеза до созревания плодов и старения, а также контролирующие ответы растений на действие стрессов. В настоящее время известны 9 фитогормонов: ауксин, цитокинин, этилен, гиббереллины, абсцизовая кислота, брассиностероиды, жасмонаты, салициловая кислота, стриголактоны. Благодаря своим свойствам, фитогормоны находят применение в сельском хозяйстве в качестве регуляторов роста растений. Детальное понимание механизмов работы фитогормонов – не только важнейшая фундаментальная задача биологии развития и генетики растений, но и необходимое условие для разработки новых эффективных и безопасных регуляторов роста растений, основанных на действии растительных гормонов.

МЕТОДЫ. Интерфейс базы знаний разработан на языке программирования Python 3 с использованием библиотеки PyQt5 для реализации графического интерфейса пользователя. В качестве источника данных используются результаты автоматического анализа текстов (text-mining), представленные в формате STSV (структурированные табличные данные) из системы ANDSystem. В текущей реализации база знаний интегрирует массивы данных по ключевым фитогормонам и их аналогам, включая: 6-бензиламинопурин (6-BAP), брассинолид, жасмоновую кислоту и индол-3-уксусную кислоту (ауксин).

РЕЗУЛЬТАТЫ. Создана база знаний, позволяющая находить и анализировать ассоциации целевых генов, белков и метаболитов с четырьмя ключевыми регуляторами роста растений: 6-бензиламинопурином, брассинолидом, жасмоновой кислотой и индол-3-уксусной кислотой (рисунок Ж.21). Разработанный программный модуль обеспечивает доступ к данным и поддерживает следующие функции: Поиск ассоциаций: Выявление связей между пользовательскими объектами (Gene, Protein, Metabolite) и указанными фитогормонами в автоматическом режиме. Агрегация и категоризация: Возможность работы как с отдельными наборами данных, так и с объединенной базой знаний («ALL») для поиска перекрестных взаимодействий, с отображением статистики распределения по типам сущностей. Верификация данных: Для каждой найденной ассоциации система предоставляет доказательную базу, включая тип взаимодействия, ссылки на литературные источники и контекстные предложения из текстов научных статей, подтверждающие связь. Экспорт результатов: Реализована функция выгрузки реконструированных ассоциативных сетей в формат CSV для последующей обработки и интерпретации роли найденных компонентов в процессах морфогенеза.

Рисунок Ж.21 – Интерфейс базы знаний по поиску ассоциаций с фитогормонами (вкладка «Жасмоновая кислота»). В примере показан результат поиска для гена CEJ1: выявлена ассоциация с жасмоновой кислотой, подтвержденная текстовым фрагментом из публикации в PubMed Central, описывающим CEJ1 как ген, реагирующий на воздействие жасмоновой кислоты

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ПРИМЕР РЕШЕНИЯ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЗАДАЧИ Формулировка конкретной биологической задачи. Фитогормоны – это низкомолекулярные вещества, вырабатывающиеся в растениях и регулирующие практически все аспекты их роста и развития от эмбриогенеза до созревания плодов и старения, а также контролирующие ответы растений на стрессы. Чтобы ограниченное количество (менее десятка) фитогормонов эффективно обеспечивали широчайший спектр ответов растения на разнообразные стимулы, фитогормоны работают взаимозависимо, влияя на работу друг друга. В следующем примере базу знаний Plant Hormones использовали для того, чтобы свести задокументированные в литературе факты взаимодействия гормональных путей в единую картину. Представление результатов решения задачи. В качестве запроса к безе знаний Plant Hormone использовали список фитогормонов (поскольку фитогормоны представляют собой синтезируемые в растении низкомолекулярные вещества, тип объекта указали «метаболиты») (рисунок Ж.22). На выходе получили набор ассоциативных связей. Интерпретация полученных результатов. С помощью базы знаний Plant Hormone извлечены ассоциативные взаимосвязи между фитогормонами. Результаты представлены в виде графа на рисунке Ж.23. Результаты поиска не только подтверждают обширное взаимное влияние фитогормонов друг на друга, но и сводят задокументированные в литературе факты взаимодействия гормональных путей в единую картину.

Рисунок Ж.22 – Пример обращения к базе знаний

Рисунок Ж.23 – Взаимосвязи между фитогормонами, выявленные с помощью базы знаний Plant Hormones и представленные в виде графа. Ребра графа соответствуют ассоциативным связям. Разные химические соединения, относящиеся к одном классу фитогормонов (ауксины, цитокинины, гиббереллины, жасмонаты или брассиностероиды), обозначены соответствующим цветом. ИУК – индол-3-уксусная кислота; НУК – 1-нафталинуксусная кислота; 2,4-Д – 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота; ИМК – индол-3-масляная кислота; ГК – гибберелловая кислота; ЖК – жасмоновая кислота; 6-BA – 6-бензиламинопурин