Ko sta Xiaoxi Meng in Zhikai Liang prvič predlagala idejo pred nekaj leti, je bil James Schnable skeptičen. Reči najmanj.
"" No, lahko poskusite, vendar mislim, da ne bo šlo, "se je spomnil izredni profesor agronomije in vrtnarstva, ko je Meng in Liang, takrat podoktorska raziskovalca v Schnablejevem laboratoriju na Univerzi v Nebraski - Lincoln, spomnil.
Motil se je in, pozneje, nikoli srečnejši. Toda takrat je imel Schnable pravi razlog, da je dvignil obrv. Zamisel dvojca - da bi lahko zaporedja DNA hladno občutljivih pridelkov, ki se predajo močni zmrzali, lahko pomagala napovedati, kako bolj divje in trpežne rastline prenašajo ledišča - se je zdela drzna. Reči najmanj. Kljub temu je šlo za predlog z nizkim tveganjem in visoko nagrado. Ker če bi Meng in Liang uspela začeti delovati, bi lahko le pospešila prizadevanja, da bi na hladno občutljive pridelke naredili nekoliko ali celo veliko bolj podobne njihovim hladno odpornim kolegom.
Nekatere najpomembnejše rastline na svetu so bile udomačene v tropskih regijah - koruza v južni Mehiki, sirek v vzhodni Afriki -, ki nanje niso izvajale selektivnega pritiska, da bi razvili obrambo pred mrazom ali zmrzovanjem. Kadar te pridelke gojimo v ostrejših podnebjih, njihova občutljivost na mraz omejuje, kako zgodaj jih lahko sadimo in kako pozno jih lahko nabiramo. Krajše rastne sezone pomenijo manj časa za fotosintezo, kar ima za posledico manjši donos in manj hrane za svetovno prebivalstvo, ki naj bi se do leta 10 približalo 2050 milijardam ljudi.
Hladno podnebje
Rastlinske vrste, ki že rastejo v hladnejših podnebjih, so medtem razvile trike za prenašanje mraza. Lahko ponovno konfigurirajo svoje celične membrane, da vzdržujejo likvidnost pri nižjih temperaturah, kar preprečuje zamrzovanje in lomljenje membran. Tekočinam v teh membranah in okoli njih lahko dodajo pomišljaje sladkorja in znižajo njihovo ledišče na enak način kot sol na pločniku. Lahko celo proizvedejo beljakovine, ki zadušijo majhne ledene kristale, preden ti kristali prerastejo v mase, ki razpadajo.
Vse te obrambe izvirajo na genetski ravni, čeprav ne le v zaporedjih same DNK. Ko rastline začnejo zmrzovati, se lahko odzovejo tako, da nekatere gene v bistvu izklopijo ali vklopijo - preprečijo ali dovolijo prepis in izvajanje njihovih priročnikov o genskih navodilih. Če vemo, kateri geni se hladno obstojne rastline izklopijo in vklopijo ob ledenih temperaturah, lahko raziskovalcem pomagajo dojeti same temelje njihovih utrdb in navsezadnje izdelajo podobno obrambo v hladno občutljivih pridelkih.
Toda Schnable je vedel, tako kot Meng in Liang, da se celo enak gen pogosto različno odziva na mraz pri rastlinskih vrstah, tudi v tesno povezanih vrstah. Kar pomeni frustrirajuće, da razumevanje, kako se gen odziva na mraz pri eni vrsti, pravi, da rastlinski znanstveniki ne vedo skoraj nič dokončnega o vedenju gena pri drugi. Ta nepredvidljivost pa je ovirala prizadevanja za učenje pravil, ki narekujejo, kaj bo deaktiviralo ali aktiviralo gene.
"Še vedno zelo slabo razumemo, zakaj se geni izklapljajo in vklapljajo," je dejal Schnable.
Koruzne rastline
Ker jim ni pravilnika, so se raziskovalci obrnili na strojno učenje, obliko umetne inteligence, ki lahko v bistvu napiše svojo. Posebej so razvili nadzorovani model razvrščanja - takšen, ki se lahko, če je predstavljen z dovolj označenimi podobami, recimo, mačk in mačk, sčasoma nauči razlikovati prvega od drugega. Skupina je sprva predstavila svoj model z ogromnim kupom zaporednih genov iz koruze, skupaj s povprečno stopnjo aktivnosti teh genov, ko je bila rastlina izpostavljena lediščem. Model je dobil tudi "vsako značilnost, za katero smo se lahko domislili" za vsak gen za koruzo, je dejal Schnable, vključno z njegovo dolžino, stabilnostjo in vsemi razlikami med njimi in drugimi različicami koruze v drugih rastlinah koruze.
Kasneje so raziskovalci svoj model preizkusili tako, da so mu v podmnožici teh genov prikrili le en podatek: ali so se odzvali na začetek ledišč ali pa se niso. Z analizo lastnosti genov, za katere je bilo rečeno, da so odzivni ali se ne odzivajo, je model ugotovil, katere kombinacije teh lastnosti so pomembne za vsako - in nato večino preostalih genov skrivnostne škatle uspešno razvrstil v njihove pravilne kategorije.
Brez dvoma je bil obetaven začetek. Toda resnični preizkus je ostal: bi lahko model opravil usposabljanje, ki ga je prejel za eno vrsto, in ga uporabil za drugo?
Odgovor je bil dokončen da. Potem ko je bil model usposobljen za podatke o DNK le ene od šestih vrst - koruze, sirka, bisernega prosa, proso prosa, prosa lisičjega repa ali beljakovine - je model na splošno lahko napovedal, kateri geni v kateri koli od preostalih petih se bodo odzvali na zamrzovanje. Na Schnablejevo presenečenje se je model obdržal tudi, ko je bil usposobljen za hladno občutljivo vrsto - koruzo, sirek, biser ali proso proso -, vendar je bil zadolžen za napovedovanje genskih odzivov na hladno prosojno proso ali lisičjo travo.
Model
"Modeli, ki smo jih usposobili, so delovali skoraj enako dobro pri vrstah, kot če bi dejansko imeli podatke o eni vrsti, in uporabili notranje podatke za napovedovanje iste vrste," je dejal, kanček začudenja se je v njegovih glasih zadrževal mesece kasneje. "Tega res ne bi napovedal."
"Zamisel, da lahko vse te informacije preprosto vnesemo v računalnik in lahko ugotovi vsaj nekatera pravila za napovedi, ki delujejo, je zame še vedno neverjetna."
Te napovedi bi se lahko izkazale za koristne pri razmisleku o alternativi. Približno desetletje so rastlinski biologi dejansko lahko izmerili število molekul RNA - tistih, ki so odgovorne za prepisovanje in prenos navodil DNK -, ki jih proizvaja vsak gen v živi rastlini. Toda primerjava, kako se ta genska ekspresija odziva na mraz v živih osebkih in pri več vrstah, je mukotrpna naloga, je dejal Schnable. To še posebej velja za divje rastline, katerih semena je težko pridobiti. Ta semena morda ne kalijo, ko se pričakuje, če sploh, in lahko trajajo leta, da zrastejo. Tudi če se to zgodi, je treba vsako nastalo rastlino gojiti v enakem, nadzorovanem okolju in jo preučevati v isti razvojni fazi.
Več vrst
Vse to predstavlja velik izziv za vzgojo dovolj divjih osebkov, iz dovolj divjih vrst, da lahko ponovijo in statistično ovrednotijo odziv svojih genov na mraz.
"Če želimo resnično ugotoviti, kateri geni so pomembni - ki dejansko igrajo vlogo pri prilagajanju rastline mrazu - moramo gledati na več kot dve vrsti," je dejal Schnable. "Želimo si ogledati skupino vrst, ki so tolerantne do mraza, in skupino, ki je občutljiva, ter si ogledati vzorce:" Ta isti gen se vedno odzove pri enem, vedno pa se ne odzove pri drugem. "
»To začne postajati res velik in drag eksperiment. Bilo bi res lepo, če bi lahko samo napovedovali zaporedja DNK teh vrst, namesto da bi recimo vzeli 20 vrst in jih poskušali dobiti v isti fazi, da bi jih vsi popolnoma natančno obdelali in izmeriti količino RNA, proizvedene za posamezen gen pri posamezni vrsti. "
Na srečo modela so raziskovalci že sekvencirali genome več kot 300 rastlinskih vrst. Neprekinjena mednarodna prizadevanja bi lahko v naslednjih nekaj letih to številko dosegla tudi do 10,000.
Čeprav je model že divje presegel njegova skromna pričakovanja, je Schnable dejal, da bo naslednji korak kljub temu "prepričal sebe in druge", da deluje tako dobro kot doslej. V vseh dosedanjih testnih primerih so raziskovalci od modela zahtevali, naj jim pove, kaj so že vedeli. Končni test bo po njegovih besedah prišel, ko bodo ljudje in stroj začeli iz nič.
"Naslednji velik poskus, za katerega mislim, da ga moramo narediti, je napovedovanje vrste, za katero sploh nimamo podatkov," je dejal. "Prepričati ljudi, da resnično deluje v primerih, ko tudi mi ne vemo odgovorov."
Skupina je svoje ugotovitve poročala v reviji Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang in Schnable so avtor študije z Nebeško Rebecco Roston, Yang Zhang, Samiro Mahboub in dodiplomskim študentom Danielom Ngujem, skupaj z Xiurujem Daijem, gostujočim učenjakom s kmetijske univerze Shandong.
Za več informacij:
Univerza v Nebraski Lincoln
www.unl.edu