機(jī)器學(xué)習(xí)模型直接預(yù)測(cè)農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)污染物在植物根系的累積
2022年01月07日來(lái)源：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所
近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所農(nóng)藥應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)控制創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)先后在環(huán)境領(lǐng)域TOP期刊Environmental Science & Technology和Journal of Hazardous Materials上分別發(fā)表題為“Direct Prediction of Bioaccumulation of Organic Contaminants in Plant Roots from Soils with Machine Learning Models based on Molecular Structures”和“Predicting Crop Root Concentration Factors of Organic Contaminants With Machine Learning Models”的2篇研究論文，首次利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型直接預(yù)測(cè)植物根部從土壤中吸收累積農(nóng)藥等有機(jī)污染物的量，解決了傳統(tǒng)線性模型無(wú)法模擬農(nóng)藥被植物吸收的非線性關(guān)系，并揭示了影響植物累積農(nóng)藥的關(guān)鍵化學(xué)分子結(jié)構(gòu)，為農(nóng)產(chǎn)品在產(chǎn)地環(huán)境化學(xué)污染的預(yù)測(cè)提供了新的工具和手段。
農(nóng)作物累積是農(nóng)業(yè)污染物從土壤進(jìn)入人類食物鏈的重要途徑。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)植物吸收和累積農(nóng)業(yè)污染物對(duì)保障食品安全、產(chǎn)地修復(fù)和人類健康暴露評(píng)估具有重要的意義。然而，由于污染物-土壤-植物根系之間復(fù)雜的相互作用，建立穩(wěn)健可靠的預(yù)測(cè)模型仍然具有很大挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的線性預(yù)測(cè)模型難以預(yù)測(cè)污染物-土壤-植物間的非線性關(guān)系，導(dǎo)致預(yù)測(cè)值與實(shí)際值差異較大。本研究對(duì)比了四種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過(guò)對(duì)341個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)、72個(gè)化合物的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，預(yù)測(cè)植物根系富集值，證明了新構(gòu)建的GBRT-ECFP的為最優(yōu)預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)5倍交叉驗(yàn)證評(píng)估了預(yù)測(cè)性能，其中R2值為0.77，平均絕對(duì)誤差（MAE）為0.22。此外，本研究解析了化學(xué)分子、土壤與植物特性之間的非線性關(guān)系。子結(jié)構(gòu)重要性分析明確了分子子結(jié)構(gòu)與植物富集之間的關(guān)系，確定了-O、-Cl、芳環(huán)和大共軛π系統(tǒng)等為與植物累積相關(guān)的關(guān)鍵化學(xué)子結(jié)構(gòu)。
本研究成功利用機(jī)器學(xué)習(xí)作為新興手段預(yù)測(cè)農(nóng)田作物對(duì)農(nóng)藥等污染物的吸收累積，展現(xiàn)了預(yù)測(cè)工具的先進(jìn)性和通用性，為未來(lái)新農(nóng)藥植物吸收潛能評(píng)估和農(nóng)田農(nóng)藥污染安全評(píng)價(jià)提供新的可靠工具。
美國(guó)耶魯大學(xué)為論文的第一完成單位，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所為論文的共同通訊單位，農(nóng)藥應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)控制創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)李 遠(yuǎn)播研究員為2篇論文的共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、青年英才計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
編輯：孟庭偉
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