Toe Xiaoxi Meng en Zhikai Liang die idee 'n paar jaar gelede die eerste keer voorgestel het, was James Schnable skepties. Om die minste te sê.
'' Nou, jy kan maar probeer, maar ek dink nie dit gaan werk nie, '' het die medeprofessor in agronomie en tuinbou onthou en gesê aan Meng en Liang, destydse nadoktorale navorsers in Schnable se laboratorium aan die Universiteit van Nebraska – Lincoln.
Hy was verkeerd, en agterna nooit gelukkiger om te wees nie. Maar destyds het Schnable redelike rede gehad om 'n wenkbrou te lig. Die idee van die duo - dat die DNA-volgordes van koudsensitiewe gewasse wat oorgegee word aan harde ryp, kan help om te voorspel hoe wilder, harder plante vriestoestande verdra - het gewaag. Om die minste te sê. Nogtans was dit 'n lae risiko en hoë beloning. Want as Meng en Liang dit kon laat werk, kan dit dalk net vinnige pogings doen om koudsensitiewe gewasse 'n bietjie of selfs baie meer soos hul kouebestande eweknieë te maak.
Sommige van die belangrikste gewasse ter wêreld is in tropiese streke - koring in die suide van Mexiko, sorghum in die ooste van Afrika - gedomestiseer wat geen selektiewe druk op hulle geplaas het om die verdediging teen koue of vriespunt te ontwikkel nie. As die gewasse in 'n strawwer klimaat verbou word, beperk hul sensitiwiteit vir koue hoe vroeg dit geplant kan word en hoe laat dit geoes kan word. Korter groeiseisoene vergelyk minder tyd vir fotosintese, wat lei tot kleiner opbrengste en minder voedsel vir 'n wêreldbevolking wat teen 10 na verwagting 2050 miljard mense sal nader.
Koue klimaat
Plantspesies wat reeds in kouer klimaat groei, het intussen truuks ontwikkel om die koue te verduur. Hulle kan hul sellulêre membrane herkonfigureer om vloeistof by laer temperature te handhaaf, wat voorkom dat die membrane vries en breek. Hulle kan strepe suikers by die vloeistowwe in en om die membrane voeg, wat hul vriespunt op dieselfde manier verlaag as wat sout 'n sypaadjie doen. Hulle kan selfs proteïene produseer wat minuscule yskristalle versmoor voordat die kristalle groei tot selbrekerende massas.
Al hierdie verdedigings ontstaan op genetiese vlak, maar nie net in die volgorde van DNA self nie. Wanneer plante begin vries, kan hulle reageer deur sekere gene in werklikheid uit of aan te skakel - om te verhoed of toe te laat dat hul genetiese instruksiehandleidings getranskribeer en uitgevoer word. Om te weet watter gene koue-verdraagsame plante aanskakel en aanhou ten spyte van vriesende temperature, kan navorsers dan help om die fondamente van hul vestingwerk te begryp en uiteindelik soortgelyke verdedigings in kouesensitiewe gewasse te ontwikkel.
Maar Schnable het ook geweet, soos Meng en Liang, dat selfs 'n identiese geen dikwels anders reageer op koue in plantspesies, selfs naverwante. Wat frustrerend beteken dat die begrip van hoe 'n geen reageer op koue by een spesie geneig is om aan plantwetenskaplikes byna niks deurslaggewends te vertel oor die gedrag van die geen in 'n ander spesie nie. Hierdie onvoorspelbaarheid het op sy beurt die pogings om die reëls te leer wat bepaal wat gene sal deaktiveer of aktiveer, belemmer.
"Ons is nog steeds baie sleg om te verstaan waarom gene aan- en afskakel," het Schnable gesê.
Mielieplante
By gebrek aan 'n reëlboek het die navorsers hulle gewend tot masjienleer, 'n vorm van kunsmatige intelligensie wat in wese sy eie kan skryf. Hulle het spesifiek 'n klassifikasiemodel onder toesig ontwikkel - die soort wat, wanneer genoeg genoteerde beelde van byvoorbeeld katte en nie-katte aangebied word, uiteindelik kan leer om eersgenoemde van laasgenoemde te onderskei. Die span het aanvanklik sy eie model aangebied met 'n enorme stapel gegenereerde gene van mielies, tesame met die gemiddelde aktiwiteitsvlakke van die gene toe die plant aan vries temperature blootgestel is. Die model het ook 'elke funksie waaraan ons kon dink' vir elke mieliegen gevoer, het Schnable gesê, met inbegrip van die lengte, die stabiliteit en enige verskille tussen dit en ander weergawes daarvan in ander mielieplante.
Later het die navorsers hul model getoets deur slegs een stuk inligting in 'n subversameling van die gene daaruit te verberg: of hulle gereageer het op die aanvang van vries temperature, of nie. Deur die kenmerke van gene te ontleed wat gesê is of dit nie reageer nie, reageer die model op watter kombinasies van hierdie eienskappe relevant is vir elkeen - en dan die meeste oorblywende mystery-box-gene suksesvol in hul regte kategorieë gesit.
Dit was ongetwyfeld 'n belowende begin. Maar die werklike toets het gebly: kan die model die opleiding wat dit in een spesie ontvang het, neem en op 'n ander toepas?
Die antwoord was beslis ja. Nadat die model opgelei is met DNA-data van net een van die ses spesies - koring, sorghum, gierst, proso-gierst, vosstertgierst of skakelgras - kon die model oor die algemeen voorspel watter gene in enige van die ander vyf op bevriesing sou reageer. Tot Schnable se verbasing het die model volgehou, selfs wanneer dit opgelei is op 'n koue-sensitiewe spesie - koring, sorghum, pêrel of proso-gierst - maar die taak is om geen-reaksies in die koudverdraagsame vosstertgierst of skakelgras te voorspel.
model
"Die modelle wat ons opgelei het, werk byna so goed oor spesies asof u eintlik data in een spesie het en die interne data gebruik het om die voorspellings van dieselfde spesie te maak," het hy gesê, 'n wenk van wonder wat maande later in sy stem vertoef. 'Ek sou dit regtig nie voorspel het nie.'
'Die idee dat ons al hierdie inligting net op 'n rekenaar kan invoer en ten minste 'n paar reëls kan uitvind om voorspellings te maak wat werk, is vir my nogal verbasend.'
Hierdie voorspellings kan veral nuttig wees as u die alternatief oorweeg. Vir ongeveer 'n dekade kon plantbioloë eintlik die aantal RNA-molekules meet - diegene wat verantwoordelik is vir die transkripsie en vervoer van DNA-instruksies - geproduseer deur elke geen in 'n lewende plant. Maar om te vergelyk hoe die gene-uitdrukking reageer op koue in lewende eksemplare, en tussen verskillende soorte, is 'n noukeurige onderneming, het Schnable gesê. Dit is veral waar met wilde plante, waarvan die sade moeilik kan wees om selfs aan te skaf. Hierdie sade sal moontlik nie ontkiem as dit verwag word nie, en dit kan jare neem om te groei. Al is dit wel so, moet elke plant wat ontstaan, in 'n identiese, beheerde omgewing gekweek word en in dieselfde ontwikkelingsfase bestudeer word.
Meer spesies
Dit alles is 'n groot uitdaging om genoeg wilde monsters van genoeg wilde spesies te kweek om die reaksies van hul gene op koue te herhaal en statisties te evalueer.
"As ons regtig wil uitvind watter gene belangrik is - wat eintlik 'n rol speel in hoe die plant by koue aanpas, moet ons na meer as twee spesies kyk," het Schnable gesê. “Ons wil kyk na 'n groep spesies wat verdraagsaam is vir koue en 'n groep wat sensitief is, en na die patrone kyk: 'Dieselfde geen reageer altyd in die een en reageer altyd nie in die ander nie.'
'Dit word 'n baie groot en duur eksperiment. Dit sal regtig lekker wees as ons net voorspellings kan maak uit die DNA-reekse van daardie spesies in plaas van om byvoorbeeld 20 spesies te neem en almal in dieselfde stadium te probeer kry, almal presies dieselfde stresbehandelings te doen, en meet die hoeveelheid RNA geproduseer vir elke geen in elke spesie. ”
Gelukkig vir die model het navorsers reeds die genome van meer as 300 plantspesies geëvalueer. 'N Deurlopende internasionale poging kan die getal die volgende paar jaar tot 10,000 XNUMX stoot.
Alhoewel die model alreeds sy beskeie verwagtinge woes oortref het, het Schnable gesê dat die volgende stap nogtans gaan behels om "onsself en ander mense te oortuig" dat dit so goed werk as wat dit tot dusver gedoen het. In elke toetsgeval tot dusver het die navorsers die model gevra om hulle te vertel wat hulle reeds weet. Die uiteindelike toets sal volgens hom wees wanneer die mens sowel as die masjien van voor af begin.
"Die volgende groot eksperiment wat ek dink ons moet doen, is om voorspellings te maak oor 'n spesie waar ons glad nie data het nie," het hy gesê. 'Om mense te oortuig dat dit regtig werk in gevalle waar selfs ons nie die antwoorde ken nie.'
Die span het sy bevindings in die tydskrif Proceedings of the National Academy of Sciences gerapporteer. Meng, Liang en Schnable het die studie saamgestel met Nebraska se Rebecca Roston, Yang Zhang, Samira Mahboub en die voorgraadse student Daniel Ngu, saam met Xiuru Dai, 'n besoekende geleerde van die Shandong Agricultural University.
Vir meer inligting:
Universiteit van Nebraska Lincoln
www.unl.edu