Kai Xiaoxi Meng ir Zhikai Liang prieš porą metų pirmą kartą pasiūlė šią idėją, Jamesas Schnable'as buvo skeptiškas. Pasakyti mažiausiai.
„Na, galite pabandyti, bet nemanau, kad tai pavyks“, - agronomijos ir sodininkystės docentas prisiminė sakydamas Mengui ir Liangui, tuometiniam Nebraskos universiteto Linkolno universiteto Schnable laboratorijos mokslininkui.
Jis klydo ir, žvelgiant atgal, niekada nebuvo laimingesnis. Tačiau tuo metu „Schnable“ turėjo pagrįstą priežastį pakelti antakį. Dueto idėja-kad šalčiui jautrių augalų, pasiduodančių stipriam šalčiui, DNR sekos gali padėti nuspėti, kaip laukiniai, tvirtesni augalai toleruoja užšalimo sąlygas, atrodė įžūli. Pasakyti mažiausiai. Vis dėlto tai buvo mažos rizikos ir didelio atlygio pasiūlymas. Nes jei Meng ir Liang galėtų tai padaryti, tai gali tik paspartinti pastangas, kad šalčiui jautrūs augalai būtų šiek tiek ar net labiau panašūs į jų šalčiui atsparius augalus.
Kai kurie svarbiausi pasaulio augalai buvo prijaukinti atogrąžų regionuose - kukurūzai Pietų Meksikoje, sorgas Rytų Afrikoje -, kurie nedarė jiems jokio selektyvaus spaudimo, kad jie sukurtų apsaugą nuo šalčio ar užšalimo. Kai šie augalai auginami atšiauresnio klimato sąlygomis, jų jautrumas šalčiui riboja, kaip anksti juos galima sodinti ir kiek vėlai. Trumpesnis auginimo sezonas sutrumpina fotosintezės laiką, todėl iki 10 m. Pasaulio gyventojai, kaip tikimasi, artės prie 2050 mlrd.
Šaltas klimatas
Tuo tarpu šaltesnio klimato sąlygomis jau augančios augalų rūšys sukūrė gudrybes, kaip ištverti šaltį. Jie gali perkonfigūruoti savo ląstelių membranas, kad išlaikytų likvidumą žemesnėje temperatūroje, neleisdami membranoms užšalti ir suskilti. Jie gali pridėti brūkšnelių cukraus į skysčius, esančius tose membranose ir aplink jas, sumažindami jų užšalimo temperatūrą panašiai kaip druska daro šaligatvį. Jie netgi gali gaminti baltymus, kurie slopina nedidelius ledo kristalus, kol šie kristalai išauga į ląsteles naikinančias mases.
Visos šios gynybos priemonės atsiranda genetiniame lygmenyje, nors ne tik pačios DNR sekose. Kai augalai pradeda užšalti, jie gali reaguoti iš esmės išjungdami arba įjungdami tam tikrus genus - neleisdami arba leisdami perrašyti ir vykdyti jų genetinių instrukcijų vadovus. Žinant, kurie genai, atsparūs šalčiui, augalai išsijungia ir įsijungia esant žemai temperatūrai, mokslininkai gali padėti suvokti pačius jų įtvirtinimų pagrindus ir galiausiai sukurti panašias apsaugos priemones šalčiui jautriems augalams.
Tačiau Schnable taip pat žinojo, kaip ir Meng ir Liang, kad net identiškas genas dažnai skirtingai reaguoja į šaltį augalų rūšyse, net ir artimai susijusiose. Apmaudu, o tai reiškia, kad supratimas, kaip vienos rūšies genas reaguoja į šaltį, augalų mokslininkams beveik nieko neįtikinamo negali pasakyti apie genų elgesį kitoje. Šis nenuspėjamumas savo ruožtu trukdė pastangoms išmokti taisykles, diktuojančias, kas deaktyvuos arba suaktyvins genus.
„Mes vis dar tikrai labai blogai suprantame, kodėl genai išsijungia ir įsijungia“, - sakė Schnable.
Kukurūzų augalai
Neturėdami taisyklių knygos, tyrėjai kreipėsi į mašinų mokymąsi - dirbtinio intelekto formą, kuri iš esmės gali parašyti savo. Jie specialiai sukūrė prižiūrimą klasifikavimo modelį-tokį, kuris, pateikęs pakankamai paženklintų, tarkime, kačių ir ne kačių atvaizdų, ilgainiui išmoksta atskirti pirmuosius nuo antrųjų. Komanda iš pradžių pristatė savo modelį, kuriame buvo didžiulė krūva sekvenuotų genų iš kukurūzų, ir vidutinis šių genų aktyvumo lygis, kai augalas buvo užšaldytas. Modelis taip pat buvo aprūpintas „kiekviena funkcija, apie kurią galėjome pagalvoti“ kiekvienam kukurūzų genui, sakė Schnable, įskaitant jo ilgį, stabilumą ir visus skirtumus tarp jo ir kitų jo versijų, randamų kituose kukurūzų augaluose.
Vėliau mokslininkai išbandė savo modelį, paslėpdami nuo jo tik vieną informaciją tų genų pogrupyje: ar jie reagavo į užšalimo temperatūros pradžią, ar ne. Analizuodamas genų savybes, kurios, kaip buvo pasakyta, buvo reaguojančios arba nereaguojančios, modelis nustatė, kurie šių savybių deriniai yra svarbūs kiekvienam, ir tada sėkmingai suskirstė daugumą likusių paslapčių dėžių genų į teisingas kategorijas.
Tai buvo daug žadanti pradžia, be jokios abejonės. Tačiau tikrasis išbandymas liko: ar modelis galėtų išmokti vieną rūšį ir pritaikyti ją kitai?
Atsakymas buvo galutinis taip. Po to, kai buvo išmokytas tik vienos iš šešių rūšių DNR duomenys - kukurūzai, sorgai, perlinės soros, prosos soros, lapės uodegos soros ar žolės - modelis paprastai sugebėjo numatyti, kurie genai bet kuriame iš kitų penkių reaguos į užšalimą. Schnable'o nuostabai, modelis išsilaikė net tada, kai buvo išmokytas šaltai jautrios rūšies-kukurūzų, sorgo, perlų ar prosos soros-, tačiau jam buvo pavesta numatyti genų atsaką šalčiui atsparioje lapės uodegos soroje ar žolėje.
Modelis
„Mūsų apmokyti modeliai veikė beveik taip pat įvairiose rūšyse, tarsi jūs iš tikrųjų turėjote vienos rūšies duomenis ir panaudojote vidinius duomenis, kad prognozuotumėte tą pačią rūšį“, - sakė jis, po kelių mėnesių pasigirdęs nuostabos užuomina. - Tikrai nebūčiau to numatęs.
„Man vis dar nuostabi mintis, kad visą šią informaciją galime tiesiog įkelti į kompiuterį ir ji gali išsiaiškinti bent kai kurias taisykles, kad prognozės veiktų.
Šios prognozės gali būti ypač naudingos svarstant alternatyvą. Maždaug dešimtmetį augalų biologai iš tikrųjų galėjo išmatuoti RNR molekulių, atsakingų už DNR nurodymų perrašymą ir pernešimą, skaičių, kurį gamina kiekvienas gyvo augalo genas. Tačiau palyginti, kaip ši genų ekspresija reaguoja į šaltį gyvuose egzemplioriuose ir keliose rūšyse, yra kruopštus darbas, sakė Schnable. Tai ypač pasakytina apie laukinius augalus, kurių sėklas gali būti sunku net įsigyti. Šios sėklos gali nesudygti, kai tikimasi, jei išvis, ir gali užaugti metus. Net jei taip yra, kiekvienas gautas augalas turi būti auginamas toje pačioje, kontroliuojamoje aplinkoje ir tirtas tame pačiame vystymosi etape.
Daugiau rūšių
Visa tai kelia didžiulį iššūkį auginti pakankamai laukinių egzempliorių iš pakankamai laukinių rūšių, kad būtų galima pakartoti ir statistiškai įvertinti jų genų atsaką į šaltį.
„Jei mes tikrai norime išsiaiškinti, kokie genai yra svarbūs - kurie iš tikrųjų vaidina svarbų vaidmenį augalui prisitaikant prie šalčio - turime pažvelgti į daugiau nei dvi rūšis“, - sakė Schnable. „Mes norime pažvelgti į šalčiui atsparių rūšių grupę ir jautrią grupę ir pažvelgti į modelius:„ Tas pats genas visada reaguoja vienu ir visada neatsako į kitą “.
„Tai pradeda tapti tikrai dideliu ir brangiu eksperimentu. Būtų tikrai malonu, jei galėtume tik prognozuoti iš tų rūšių DNR sekų, o ne, tarkime, paimti 20 rūšių ir stengtis jas visas gauti tame pačiame etape, visas jas apdoroti lygiai taip pat ir išmatuokite kiekvienos rūšies kiekvienam genui pagamintos RNR kiekį “.
Šio modelio laimei, mokslininkai jau sekvenavo daugiau nei 300 augalų rūšių genomus. Nuolatinės tarptautinės pastangos per ateinančius kelerius metus gali padidinti šį skaičių iki 10,000 XNUMX.
Nors modelis jau nepaprastai pranoko savo kuklius lūkesčius, Schnable'as sakė, kad kitas žingsnis vis dėlto bus „įtikinti save ir kitus žmones“, kad jis veikia taip gerai, kaip iki šiol. Kiekvienu iki šiol atliktu bandymu mokslininkai paprašė modelio pasakyti jiems tai, ką jie jau žinojo. Galutinis išbandymas, anot jo, bus tada, kai žmonės ir mašina pradės nuo nulio.
„Kitas didelis eksperimentas, kurį, manau, turime padaryti, yra prognozuoti rūšį, kurioje neturime jokių duomenų“, - sakė jis. „Įtikinti žmones, kad tai tikrai veikia tais atvejais, kai net mes nežinome atsakymų“.
Komanda pranešė apie savo išvadas žurnale Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang ir Schnable parašė tyrimą kartu su Nebraskos Rebecca Roston, Yang Zhang, Samira Mahboub ir bakalauro studentu Danieliu Ngu kartu su kviestiniu mokslininku iš Shandongo žemės ūkio universiteto Xiuru Dai.
Daugiau informacijos:
Nebraskos universitetas Linkolnas
www.unl.edu