Када су Ксиаоки Менг и Зхикаи Лианг први пут предложили идеју пре неколико година, Јамес Сцхнабле је био скептичан. У најмању руку.
„Па, можете покушати, али мислим да то неће успети“, подсетио је ванредни професор агрономије и хортикултуре говорећи Менг и Лианг, тадашњим постдокторским истраживачима у Сцхнаблеовом лабораторију на Универзитету Небраска-Линцолн.
Погрешио је и, уназад гледајући, никад срећнији. Ипак, у то време, Сцхнабле је имао праведан разлог да подигне обрву. Идеја двојца - да би ДНК секвенце усјева осетљивих на хладноћу који се предају јаком мразу могла да помогне у предвиђању како дивље, издржљивије биљке толеришу услове смрзавања - деловале су дрско. У најмању руку. Ипак, то је био предлог са малим ризиком и високом наградом. Јер ако би Менг и Лианг успели да то покрену, можда би то само убрзало напоре да усјеве осетљиве на хладноћу учини мало или чак много сличнијим њиховим колегама отпорним на хладноћу.
Неке од најважнијих светских усева припитомљене су у тропским регионима - кукуруз у јужном Мексику, сирак у источној Африци - који на њих нису вршиле селективан притисак да развију одбрану од хладноће или смрзавања. Када се ти усеви узгајају у оштријим климатским условима, њихова осетљивост на хладноћу ограничава колико рано се могу садити и колико касно могу убрати. Краће сезоне раста подударају се са мање времена за фотосинтезу, што резултира мањим приносима и мање хране за глобално становништво које би требало да се приближи 10 милијарди људи до 2050. године.
Хладна клима
Биљне врсте које већ расту у хладнијим поднебљима, у међувремену су развиле трикове да издрже хладноћу. Они могу да поново конфигуришу своје ћелијске мембране како би одржавали ликвидност на нижим температурама, спречавајући да се мембране смрзну и сломе. Они могу додати цртице шећера у течности у и око тих мембрана, снижавајући тачку смрзавања на приближно исти начин као што то чини сол на тротоару. Они чак могу да произведу протеине који угуше ситне кристале леда пре него што ти кристали прерасту у масу пропадања ћелија.
Све те одбране потичу на генетском нивоу, мада не само у секвенцама саме ДНК. Када биљке почну да се смрзавају, могу да реагују у суштини искључивањем или укључивањем одређених гена - спречавајући или дозвољавајући да се њихови приручници за генетска упутства транскрибирају и изврше. Знање који се гени биљака подношљивих на хладноћу искључују и укључују пред температурама смрзавања, може помоћи истраживачима да схвате саме темеље својих утврђења и, на крају, инжењерски обраде сличне одбране у усеве осетљиве на хладноћу.
Али Сцхнабле је такође знао, као што су знали Менг и Лианг, да чак и идентични ген често различито реагује на хладноћу код биљних врста, чак и уско повезаних. Што значи, фрустрирајуће, то што разумевање како ген реагује на хладноћу код једне врсте обично говори научницима биљака готово ништа одлучно о понашању гена у другој. Та непредвидивост заузврат је омела напоре да се науче правила која диктирају шта ће деактивирати или активирати гене.
"Још увек стварно, јако лоше разумемо зашто се гени искључују и укључују", рекао је Сцхнабле.
Биљке кукуруза
У недостатку правилника, истраживачи су се окренули машинском учењу, облику вештачке интелигенције који у основи може да напише свој. Они су посебно развили надзирани модел класификације - врста која може, када се представи са довољно означених слика, рецимо, мачака и мачака, на крају научити да разликује прве од других. Тим је у почетку представио сопствени модел са огромном гомилом секвенцираних гена из кукуруза, заједно са просечним нивоом активности тих гена када је биљка била подвргнута температурама смрзавања. Модел је такође храњен „свим карактеристикама којих смо се могли сјетити“ за сваки ген кукуруза, рекао је Сцхнабле, укључујући његову дужину, стабилност и све разлике између њега и других верзија које се могу наћи у другим биљкама кукуруза.
Касније су истраживачи тестирали свој модел тако што су од њега сакрили само један податак у подскупу тих гена: да ли су реаговали на почетак ледених температура или нису. Анализирајући особине гена за које је речено да реагују или не реагују, модел је препознао које су комбинације тих карактеристика релевантне за сваку од њих - а затим је успешно распоредио већину преосталих гена мистериозних кутија у њихове тачне категорије.
Био је то обећавајући почетак, нема сумње. Али прави тест је остао: да ли би модел могао да прође обуку коју је стекао за једну врсту и да је примени на другој?
Одговор је био коначан да. Након што је обучен са подацима о ДНК из само једне од шест врста - кукуруза, сирка, бисерног проса, просо проса, проса од лисичјег репа или љуљашке - модел је углавном могао да предвиди који ће гени у било којој од осталих пет реаговати на замрзавање. На Сцхнаблеово изненађење, модел је издржао чак и када је трениран на хладно осетљиву врсту - кукуруз, сирак, бисер или просо просо - али је имао задатак да предвиди генске реакције у просу од лисичјег репа толерантном на хладноћу.
модел
„Модели које смо обучили радили су готово подједнако добро међу врстама као да заправо имате податке о једној врсти и користили сте интерне податке за предвиђање те исте врсте“, рекао је, наговештавајући чуђење у његовом гласу месецима касније. „Заиста то не бих предвидео.“
„Идеја да све ове информације можемо једноставно убацити у рачунар и да може открити бар нека правила која дају предвиђања која раде, још увек ми је некако невероватна.“
Та предвиђања би се могла показати посебно корисним при разматрању алтернативе. Отприлике деценију, биљни биолози су у ствари могли да измеру број молекула РНК - оних који су одговорни за транскрипцију и транспорт ДНК упутстава - које производи сваки ген у живој биљци. Али упоређивање како та експресија гена реагује на хладноћу у живим примерцима и код више врста, мукотрпан је подухват, рекао је Сцхнабле. То је посебно тачно са дивљим биљкама, чије семе може бити тешко добити. То семе можда неће клијати када се очекује, ако уопште, и може потрајати годинама да порасте. Чак и ако се то деси, свака настала биљка мора се узгајати у идентичном, контролисаном окружењу и проучавати у истој развојној фази.
Више врста
Све то представља огроман изазов за узгој довољно дивљих примерака, од довољно дивљих врста, који ће реплицирати и статистички проценити реакцију својих гена на хладноћу.
„Ако заиста желимо да сазнамо који су гени важни - који заправо играју улогу у начину на који се биљка прилагођава хладноћи, морамо да посматрамо више од две врсте“, рекао је Сцхнабле. „Желимо да погледамо групу врста које су толерантне на хладноћу и групу осетљивих, и погледамо обрасце:„ Овај исти ген увек одговара у једном, а увек не у другом. “
„То почиње да постаје заиста велики и скуп експеримент. Било би заиста лепо када бисмо могли само да предвиђамо из секвенци ДНК тих врста, уместо да, рецимо, узмемо 20 врста и покушамо да их све добијемо у истој фази, да их све подвргнемо потпуно истим третманима стреса, и измерите количину РНК која се производи за сваки ген у свакој врсти “.
Срећом по моделу, истраживачи су већ секвенцирали геноме више од 300 биљних врста. Стални међународни напори могли би тај број достићи и до 10,000 у наредних неколико година.
Иако је модел већ дивље надмашио његова скромна очекивања, Сцхнабле је рекао да ће следећи корак ипак укључивати „убеђивање и нас самих и других људи“ да делује као и до сада. У сваком досадашњем тестном случају, истраживачи су тражили од модела да им каже оно што су већ знали. Крајњи тест, рекао је, доћи ће када и људи и машина почну од нуле.
„Следећи велики експеримент који мислим да треба да урадимо је да направимо предвиђања за врсту о којој уопште немамо података“, рекао је. „Уверити људе да то заиста функционише у случајевима када чак ни ми не знамо одговоре.“
Тим је о својим налазима известио у часопису Процеедингс оф тхе Натионал Ацадеми оф Сциенцес. Менг, Лианг и Сцхнабле су аутори студије са Небраском, Ребецца Ростон, Ианг Зханг, Самиром Махбоуб и студентом додипломског студија Даниелом Нгуом, заједно са Ксиуру Даи, гостујућом научницом са Пољопривредног универзитета Схандонг.
За више информација:
Универзитет у Небраски, Линцолн
ввв.унл.еду