Keď Xiaoxi Meng a Zhikai Liang pred pár rokmi prvýkrát navrhli túto myšlienku, James Schnable bol skeptický. Prinajmenšom povedané.
„No, môžete to skúsiť, ale nemyslím si, že to bude fungovať,“ spomína docent agronómie a záhradníctva, ako povedal Mengovi a Liangovi, vtedajším postdoktorandským výskumníkom v Schnableho laboratóriu na University of Nebraska-Lincoln.
Mýlil sa a pri spätnom pohľade nikdy nebol šťastnejší. Napriek tomu mal Schnable v tom čase dobrý dôvod zdvihnúť obočie. Myšlienka tohto dua – že sekvencie DNA plodín citlivých na chlad, ktoré sa vzdajú tvrdému mrazu, by mohla pomôcť predpovedať, ako divokejšie a odolnejšie rastliny znášajú mrazy – sa zdala odvážna. Prinajmenšom povedané. Napriek tomu to bola ponuka s nízkym rizikom a vysokou odmenou. Pretože ak by to Meng a Liang dokázali rozbehnúť, mohlo by to len urýchliť snahy o to, aby plodiny citlivé na chlad boli trochu alebo dokonca oveľa viac podobné svojim kolegom odolným voči chladu.
Niektoré z najdôležitejších svetových plodín boli domestikované v tropických oblastiach – kukurica v južnom Mexiku, cirok vo východnej Afrike – ktoré na ne nevyvíjali žiadny selektívny tlak, aby si vyvinuli obranu proti chladu alebo mrazu. Keď sa tieto plodiny pestujú v drsnejších klimatických podmienkach, ich citlivosť na chlad obmedzuje, ako skoro môžu byť zasadené a ako neskoro môžu byť zberané. Kratšie vegetačné obdobia sa rovnajú kratšiemu času na fotosyntézu, čo má za následok menšie výnosy a menej potravy pre globálnu populáciu, ktorá sa do roku 10 približuje k 2050 miliardám ľudí.
Studené podnebie
Druhy rastlín, ktoré už rastú v chladnejších klimatických podmienkach, si medzitým vyvinuli triky, ako vydržať chlad. Môžu rekonfigurovať svoje bunkové membrány, aby si udržali likviditu pri nižších teplotách, čím zabránia zamrznutiu a prasknutiu membrán. Do kvapalín v týchto membránach a okolo nich môžu pridávať kvapôčky cukrov, čím znižujú ich bod tuhnutia takmer rovnakým spôsobom ako soľ na chodníkoch. Môžu dokonca produkovať proteíny, ktoré udusia nepatrné ľadové kryštály predtým, ako tieto kryštály vyrastú do hmoty, ktorá ničí bunky.
Všetky tieto obrany vznikajú na genetickej úrovni, aj keď nielen v sekvenciách samotnej DNA. Keď rastliny začnú mrznúť, môžu zareagovať v podstate vypnutím alebo zapnutím určitých génov - zabránia alebo umožnia prepis a vykonanie ich genetických inštrukcií. Vedieť, ktoré gény rastlín odolných voči chladu sa vypínajú a zapínajú tvárou v tvár mrazu, potom môže výskumníkom pomôcť pochopiť samotné základy ich opevnení a v konečnom dôsledku vytvoriť podobnú obranu do plodín citlivých na chlad.
Ale Schnable tiež vedel, rovnako ako Meng a Liang, že dokonca aj identický gén často reaguje odlišne na chlad v rámci rastlinných druhov, dokonca aj blízko príbuzných. Čo frustrujúco znamená, že pochopenie toho, ako gén reaguje na chlad u jedného druhu, má tendenciu povedať rastlinným vedcom takmer nič presvedčivé o správaní génu u iného. Táto nepredvídateľnosť zase brzdí snahy naučiť sa pravidlá diktujúce, čo deaktivuje alebo aktivuje gény.
"Stále naozaj veľmi zle rozumieme tomu, prečo sa gény vypínajú a zapínajú," povedal Schnable.
Rastliny kukurice
Keďže im chýbala kniha pravidiel, výskumníci sa obrátili na strojové učenie, formu umelej inteligencie, ktorá v podstate dokáže písať svoje vlastné. Špecificky vyvinuli model klasifikácie pod dohľadom - druh, ktorý sa môže, keď sa mu predloží dostatok označených obrázkov, povedzme, mačiek a mačiek, nakoniec naučiť rozlíšiť prvé od druhých. Tím pôvodne predstavil svoj vlastný model s obrovskou hromadou sekvenovaných génov z kukurice spolu s priemernými úrovňami aktivity týchto génov, keď bola rastlina vystavená mrazu. Model bol tiež kŕmený „všetkými vlastnosťami, na ktoré sme mohli myslieť“ pre každý gén kukurice, povedal Schnable, vrátane jeho dĺžky, stability a akýchkoľvek rozdielov medzi ním a inými verziami, ktoré sa nachádzajú v iných rastlinách kukurice.
Neskôr výskumníci testovali svoj model tak, že pred ním zatajili len jednu informáciu v podskupine týchto génov: či reagovali na nástup mrazivých teplôt, alebo nie. Analýzou vlastností génov, o ktorých sa hovorilo, že buď reagujú, alebo nereagujú, model rozpoznal, ktoré kombinácie týchto vlastností sú pre každú z nich relevantné – a potom úspešne zaradil väčšinu zostávajúcich génov záhadných boxov do ich správnych kategórií.
Bol to sľubný začiatok, nepochybne. Ale skutočný test zostal: Mohol by model absolvovať školenie, ktoré dostal u jedného druhu, a aplikovať ho na iný?
Odpoveď bola definitívne áno. Po trénovaní s údajmi o DNA iba jedného zo šiestich druhov - kukurice, ciroku, perličkového prosa, proso proso, proso lišajníka alebo proso - bol model vo všeobecnosti schopný predpovedať, ktoré gény v ktoromkoľvek z ďalších piatich by reagovali na zmrazenie. Na Schnableho prekvapenie model obstál aj vtedy, keď bol trénovaný na druhoch citlivých na chlad - kukurica, cirok, perla alebo proso proso - ale jeho úlohou bolo predpovedať génové reakcie v prosa tolerantnom voči chladu alebo proso.
Modelka
"Modely, ktoré sme trénovali, fungovali takmer rovnako dobre naprieč druhmi, ako keby ste skutočne mali údaje o jednom druhu a použili interné údaje na predpovede toho istého druhu," povedal s náznakom údivu, ktorý v jeho hlase pretrvával o niekoľko mesiacov neskôr. "Naozaj by som to nepredpovedal."
"Myšlienka, že môžeme všetky tieto informácie vložiť do počítača a ten dokáže zistiť aspoň niektoré pravidlá, aby predpovede fungovali, je pre mňa stále úžasná."
Tieto predpovede by sa mohli ukázať ako obzvlášť užitočné pri zvažovaní alternatívy. Zhruba desať rokov boli rastlinní biológovia skutočne schopní merať počet molekúl RNA - tých, ktoré sú zodpovedné za transkripciu a transport inštrukcií DNA - produkovaných každým génom v živej rastline. Ale porovnanie toho, ako táto génová expresia reaguje na chlad u živých exemplárov a naprieč viacerými druhmi, je náročnou záležitosťou, povedal Schnable. To platí najmä pre divoké rastliny, ktorých semená môže byť ťažké dokonca získať. Tieto semená nemusia klíčiť podľa očakávania, ak vôbec, a môže trvať roky, kým vyrastú. Ak aj áno, každá výsledná rastlina sa musí pestovať v identickom, kontrolovanom prostredí a študovať v rovnakom vývojovom štádiu.
Viac druhov
To všetko predstavuje obrovskú výzvu na pestovanie dostatočného množstva voľne žijúcich exemplárov z dostatočného množstva voľne žijúcich druhov na replikáciu a štatistické vyhodnotenie reakcií ich génov na chlad.
"Ak sa naozaj chceme dostať k tomu, aké gény sú dôležité - ktoré v skutočnosti zohrávajú úlohu v tom, ako sa rastlina prispôsobuje chladu - musíme sa pozrieť na viac ako dva druhy," povedal Schnable. "Chceme sa pozrieť na skupinu druhov, ktoré sú tolerantné voči chladu a skupinu, ktorá je citlivá, a pozrieť sa na vzorce: "Ten istý gén vždy reaguje na jeden a vždy nereaguje na druhý."
„Začína to byť skutočne veľký a nákladný experiment. Bolo by naozaj pekné, keby sme mohli len predpovedať zo sekvencií DNA týchto druhov namiesto toho, aby sme zobrali 20 druhov a snažili sa ich dostať všetky v rovnakom štádiu, podrobili ich presne tým istým stresom a zmerajte množstvo RNA produkovanej pre každý gén v každom druhu.
Našťastie pre tento model už výskumníci sekvenovali genómy viac ako 300 druhov rastlín. Pokračujúce medzinárodné úsilie by mohlo toto číslo v priebehu niekoľkých nasledujúcich rokov zvýšiť až na 10,000 XNUMX.
Hoci model už divoko prekonal svoje skromné očakávania, Schnable povedal, že ďalší krok bude zahŕňať „presvedčenie nás samých aj iných ľudí“, že to funguje rovnako dobre ako doteraz. V každom doterajšom testovacom prípade výskumníci požiadali model, aby im povedal, čo už vedeli. Konečný test, povedal, príde, keď ľudia aj stroj začnú od nuly.
„Ďalším veľkým experimentom, o ktorom si myslím, že musíme urobiť, je predpovedať druh, o ktorom nemáme vôbec žiadne údaje,“ povedal. "Presvedčiť ľudí, že to naozaj funguje v prípadoch, keď ani my nepoznáme odpovede."
Tím o svojich zisteniach informoval v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang a Schnable napísali štúdiu s Rebeccou Rostonovou z Nebrasky, Yang Zhangom, Samirou Mahboubovou a vysokoškolským študentom Danielom Nguom spolu s Xiuru Daiom, hosťujúcim učencom z poľnohospodárskej univerzity Shandong.
Pre viac informácií:
Lincolnova univerzita v Nebraske
www.unl.edu