Кога Ксиаокси Менг и ikaикаи Лианг ја предложија идејата пред неколку години, Jamesејмс Шнајбл беше скептичен. Во најмала рака.
„Па, може да се обидете, но мислам дека нема да работи“, се сеќава вонреден професор по агрономија и хортикултура, велејќи им на Менг и Лианг, тогаш постдокторски истражувачи во лабораторијата на Шнајбл на Универзитетот во Небраска -Линколн.
Тој погреши и, однапред, никогаш посреќен да биде. Сепак, во тоа време, Шнабле имаше фер причина да крене веѓа. Идејата на дуото-дека секвенците на ДНК на култури чувствителни на студ што се предаваат на силен мраз може да помогнат да се предвиди како дивите, поцврсти растенија толерираат услови на замрзнување-изгледаше смело. Во најмала рака. Сепак, тоа беше предлог со низок ризик и висока награда. Бидејќи ако Менг и Лианг успеат да работат, можеби ќе ги забрзаат напорите да се направат култури чувствителни на студ малку или дури и многу повеќе како нивните колеги отпорни на студ.
Некои од најважните култури во светот беа припитомени во тропските региони - пченка во јужно Мексико, сорго во источна Африка - што не изврши селективен притисок врз нив за да развијат одбрана од студ или замрзнување. Кога тие култури се одгледуваат во потешки клими, нивната чувствителност на студ ограничува колку рано може да се садат и колку доцна може да се берат. Пократките сезони на растење се еднакви со помалку време за фотосинтеза, што резултира со помали приноси и помалку храна за глобалното население, кое се очекува да достигне 10 милијарди луѓе до 2050 година.
Студена клима
Растителните видови кои веќе растат во постудени клими, во меѓувреме, еволуираа трикови за да го издржат студот. Тие можат да ги реконфигурираат своите клеточни мембрани за да ја одржат ликвидноста на пониски температури, спречувајќи ги мембраните да се замрзнат и да се скршат. Тие можат да додадат црни шеќери во течностите во и околу тие мембрани, намалувајќи ја нивната точка на замрзнување на ист начин како и солта на тротоарот. Тие дури можат да произведат протеини што ги задушуваат ситните кристали мраз пред тие кристали да прераснат во маси што разбиваат клетки.
Сите тие одбрани потекнуваат од генетско ниво, иако не само од секвенците на самата ДНК. Кога растенијата почнуваат да се замрзнуваат, тие можат да одговорат со суштинско исклучување или вклучување на одредени гени - спречувајќи или дозволувајќи им на нивните генетски упатства да се препишат и спроведат. Знаејќи кои гени растенијата отпорни на студ се исклучуваат и вклучуваат пред температурите на замрзнување, може да им помогне на истражувачите да ги сфатат основите на нивните утврдувања и, на крајот, да направат слична одбрана во култури чувствителни на студ.
Но, Шнабле исто така знаеше, како што знаеја Менг и Лианг, дека дури и идентичен ген честопати различно реагира на студ кај растителни видови, дури и тесно поврзани. Што значи, фрустрирачки, разбирањето како генот реагира на студ кај еден вид, има тенденција да им каже на научниците за растенија речиси ништо конечно за однесувањето на генот кај друг. Таа непредвидливост, пак, ги попречува напорите да се научат правилата што диктираат што ќе ги деактивира или активира гените.
„С still уште сме навистина, навистина лоши во разбирањето зошто гените се исклучуваат и вклучуваат“, рече Шнабл.
Растенија од пченка
Немајќи правилник, истражувачите се свртеа кон машинско учење, форма на вештачка интелигенција која во суштина може да напише своја. Тие конкретно развиле надгледуван модел на класификација-вид што може, кога ќе се претстави со доволно означени слики на, да речеме, мачки и не-мачки, на крајот да научи да ги разликува првите од вторите. Тимот првично го претстави својот сопствен модел со огромен куп секвенционирани гени од пченка, заедно со просечните нивоа на активност на тие гени кога растението беше подложено на температури на замрзнување. Моделот, исто така, се храни со „секоја карактеристика што можеме да ја замислиме“ за секој ген од пченка, рече Шнајбл, вклучувајќи ја и неговата должина, стабилност и какви било разлики помеѓу него и другите верзии што се наоѓаат во други растенија од пченка.
Подоцна, истражувачите го тестираа својот модел сокривајќи од него само една информација во подмножество од тие гени: дали тие реагирале на почетокот на температурите на замрзнување, или не. Со анализа на карактеристиките на гените за кои беше кажано дека се или одговорни или не реагираат, моделот откри кои комбинации на тие карактеристики се релевантни за секоја-и потоа успешно ги смести мнозинството од преостанатите гени за мистерија во нивните правилни категории.
Тоа беше ветувачки почеток, без сомнение. Но, вистинскиот тест остана: Дали моделот може да ја земе обуката што ја добил за еден вид и да го примени на друг?
Одговорот беше дефинитивно да. Откако беше обучен со ДНК податоци од само еден од шесте видови - пченка, сорго, бисерно просо, просо просо, просо од опашка или прекинувач - моделот генерално беше во можност да предвиди кои гени во кој било од другите пет ќе реагираат на замрзнување. На изненадување на Шнајбл, моделот издржа дури и кога беше обучуван за видови чувствителни на студ-пченка, сорго, бисер или просо просо-но имаше задача да предвиди генски реакции во просото од лисица отпорна на студ или просо.
модел
„Моделите што ги трениравме работеа скоро исто како кај видовите, како да имате податоци за еден вид и ги користевте внатрешните податоци за да ги направите предвидувањата за истиот вид“, рече тој, навестување што чудеше во неговиот глас неколку месеци подоцна. „Навистина немаше да го предвидам тоа“.
„Идејата дека можеме само да ги внесеме сите овие информации во компјутер и може да открие барем некои правила за да се направат предвидувања што функционираат, с still уште е неверојатно за мене“.
Тие предвидувања може да се покажат особено корисни кога се размислува за алтернатива. Околу една деценија, биолозите на растенијата всушност можеа да го измерат бројот на молекули на РНК - оние што се одговорни за транскрипција и транспорт на инструкциите на ДНК - произведени од секој ген во живо растение. Но, споредбата како изразот на генот реагира на студ кај живи примероци и кај повеќе видови, е макотрпен потфат, рече Шнабел. Тоа е особено точно со дивите растенија, чии семиња може да бидат тешко да се добијат. Тие семиња можеби нема да 'ртат кога се очекува, ако воопшто и може да потрае години за да растат. Дури и да се случи, секое растение што произлегува треба да се одгледува во идентична, контролирана средина и да се изучува во иста фаза на развој.
Повеќе видови
Сето тоа претставува огромен предизвик за одгледување доволно диви примероци, од доволно диви видови, за да се реплицираат и статистички да се оценат одговорите на нивните гени на студ.
„Ако навистина сакаме да разбереме кои гени се важни - што всушност играат улога во тоа како растението се прилагодува на студ - треба да разгледаме повеќе од два вида“, рече Шнабел. „Сакаме да погледнеме група видови што се толерантни на студ и група чувствителни и да ги разгледаме моделите:„ Истиот ген секогаш реагира во едниот и секогаш не реагира во другиот “.
„Тоа почнува да станува навистина голем и скап експеримент. Би било навистина убаво кога би можеле само да направиме предвидувања од секвенцата на ДНК на тие видови, наместо, да речеме, да земеме 20 видови и да се обидеме да ги добиеме сите во иста фаза, да ги ставиме сите низ истите стресни третмани и измерете ја количината на произведена РНК за секој ген во секој вид “.
За среќа за моделот, истражувачите веќе ги секвенционираа геномите на повеќе од 300 видови растенија. Тековните меѓународни напори би можеле да го зголемат тој број до 10,000 во текот на следните неколку години.
Иако моделот веќе ги надмина своите скромни очекувања, Шнајбл рече дека сепак следниот чекор ќе вклучи „да се убедиме себеси и другите луѓе“ дека функционира добро како и досега. Во секој тест случај до денес, истражувачите побараа од моделот да им каже што веќе знаат. Крајниот тест, рече тој, ќе дојде кога и луѓето и машината ќе започнат од нула.
„Следниот голем експеримент што мислам дека треба да го направиме е да направиме предвидувања за видот каде што воопшто немаме податоци“, рече тој. „Да ги убедиме луѓето дека навистина функционира во случаи кога дури и ние не ги знаеме одговорите“.
Тимот ги објави своите наоди во списанието Зборник на трудови на Националната академија на науките. Менг, Лианг и Шнабле ја напишаа студијата со Ребека Ростон од Небраска, Јанг hanанг, Самира Махуб и студентот на додипломски студии Даниел Нгу, заедно со Ксиуру Даи, научник -посетител од Земјоделскиот универзитет Шандонг.
За повеќе информации:
Универзитетот во Небраска Линколн
www.unl.edu