Kur Xiaoxi Meng dhe Zhikai Liang propozuan idenë për herë të parë disa vjet më parë, James Schnable ishte skeptik. Për të thënë më së paku.
"" Epo, mund të provoni, por unë nuk mendoj se do të funksionojë, "kujton profesori i asociuar i agronomisë dhe hortikulturës duke u thënë Meng dhe Liang, studiues pasdoktoralë në laboratorin e Schnable në Universitetin e Nebraska -Lincoln.
Ai ishte gabim dhe, në të kaluarën, kurrë më i lumtur për të qenë. Megjithatë, në atë kohë, Schnable kishte arsye të drejtë për të ngritur një vetull. Ideja e dyshes-që sekuencat e ADN-së të të lashtave të ndjeshme ndaj të ftohtit që i dorëzohen një acari të fortë mund të ndihmojnë në parashikimin se si bimët më të egra, më të forta tolerojnë kushtet e ngrirjes-dukej e guximshme. Për të thënë më së paku. Sidoqoftë, ishte një propozim me rrezik të ulët dhe shpërblim të lartë. Sepse nëse Meng dhe Liang do të mund ta vinin në punë, mund të përshpejtonte përpjekjet për të bërë të lashtat e ndjeshme ndaj të ftohtit pak ose edhe më shumë si homologët e tyre rezistent ndaj të ftohtit.
Disa nga prodhimet më të rëndësishme në botë u zbutën në rajonet tropikale - misri në Meksikën jugore, sorgumi në Afrikën lindore - që nuk u bënë presion selektiv atyre për të evoluar mbrojtjen kundër të ftohtit ose ngrirjes. Kur ato kultura rriten në klimë më të ashpër, ndjeshmëria e tyre ndaj të ftohtit kufizon sa herët ato mund të mbillen dhe sa vonë mund të korren. Sezonet më të shkurtra të rritjes janë të barabarta me më pak kohë për fotosintezën, duke rezultuar në rendimente më të vogla dhe më pak ushqim për një popullsi globale që pritet t'i afrohet 10 miliardë njerëzve deri në vitin 2050.
Klima e ftohtë
Speciet bimore që tashmë rriten në klimat më të ftohta, ndërkohë, evoluan truke për të duruar të ftohtin. Ata mund të rikonfigurojnë membranat e tyre qelizore për të ruajtur likuiditetin në temperatura më të ulëta, duke parandaluar ngrirjen dhe thyerjen e membranave. Ata mund të shtojnë pika sheqernash në lëngjet brenda dhe përreth atyre membranave, duke ulur pikën e tyre të ngrirjes në të njëjtën mënyrë si kripa me trotuaret. Ata madje mund të prodhojnë proteina që mbytin kristale të vogla akulli para se ato kristale të rriten në masa shkatërruese të qelizave.
Të gjitha ato mbrojtje kanë origjinën në nivelin gjenetik, edhe pse jo vetëm në sekuencat e ADN -së. Kur bimët fillojnë të ngrijnë, ato mund të përgjigjen duke fikur ose ndezur në thelb gjenet e caktuara - duke parandaluar ose lejuar që manualët e tyre të udhëzimeve gjenetike të transkriptohen dhe zbatohen. Duke ditur se cilat gjene bimët tolerante ndaj të ftohtit fiken dhe ndizen përballë temperaturave të ngrirjes, atëherë, mund të ndihmojë studiuesit të kuptojnë themelet e fortifikimeve të tyre dhe, në fund të fundit, të krijojnë mbrojtje të ngjashme në kultura të ndjeshme ndaj të ftohtit.
Por Schnable gjithashtu e dinte, siç bënë Meng dhe Liang, se edhe një gjen identik shpesh i përgjigjet ndryshe të ftohtit nëpër speciet bimore, madje edhe ato të lidhura ngushtë. Kjo do të thotë, në mënyrë zhgënjyese, se të kuptuarit se si një gjen i përgjigjet të ftohtit në një specie ka tendencë t'u tregojë shkencëtarëve të bimëve pothuajse asgjë përfundimtare në lidhje me sjelljen e gjenit në një tjetër. Kjo paparashikueshmëri, nga ana tjetër, ka penguar përpjekjet për të mësuar rregullat që diktojnë se çfarë do të çaktivizojë ose aktivizojë gjenet.
"Ne jemi akoma shumë të këqij në të kuptuarit pse gjenet fiken dhe ndizen," tha Schnable.
Bimët e misrit
Në mungesë të një rregulloreje, studiuesit iu drejtuan mësimit të makinerisë, një formë e inteligjencës artificiale që në thelb mund të shkruajë të vetën. Ata posaçërisht zhvilluan një model të mbikëqyrur të klasifikimit-lloji që, kur paraqitet me imazhe të etiketuara mjaftueshëm, të themi, macet dhe jo macet, përfundimisht mëson të dallojë të parën nga kjo e fundit. Ekipi fillimisht paraqiti modelin e tij me një grumbull të madh të gjeneve të sekuencuar nga misri, së bashku me nivelet mesatare të aktivitetit të atyre gjeneve kur bima iu nënshtrua temperaturave të ngrirjes. Modeli gjithashtu ushqehej "me çdo tipar që mund të mendonim" për secilin gjen misri, tha Schnable, duke përfshirë gjatësinë e tij, qëndrueshmërinë e tij dhe çdo ndryshim midis tij dhe versioneve të tjera të tij që gjenden në bimë të tjera misri.
Më vonë, studiuesit testuan modelin e tyre duke fshehur prej tij vetëm një pjesë të informacionit në një nëngrup të atyre gjeneve: nëse ata reaguan ndaj fillimit të temperaturave të ngrirjes, apo nëse nuk e reaguan. Duke analizuar tiparet e gjeneve që ishte thënë se ishin ose të përgjegjshme ose jo, modeli dalloi se cilat kombinime të atyre tipareve ishin të rëndësishme për secilën-dhe më pas i vendosi me sukses shumicën e gjeneve të mbetura të kutisë së mistereve në kategoritë e tyre të sakta.
Ishte një fillim premtues, pa dyshim. Por testi i vërtetë mbeti: A mund të marrë modeli trajnimin që kishte marrë në një specie dhe ta zbatonte atë në një tjetër?
Përgjigja ishte një po përfundimtare. Pasi u trajnua me të dhënat e ADN -së nga vetëm njëra nga gjashtë speciet - misri, sorgumi, melleti i perlave, mileti proso, mileti i bishtit apo bari i ndezur - modeli në përgjithësi ishte në gjendje të parashikonte se cilat gjene në cilindo nga pesë të tjerat do t'i përgjigjeshin ngrirjes. Për habinë e Schnable, modeli qëndroi i qëndrueshëm edhe kur ishte stërvitur në një specie të ndjeshme ndaj të ftohtit-misër, sorgum, margaritar ose proso milet-por kishte për detyrë të parashikonte përgjigjet e gjeneve në melin e bishtit të shkumës tolerues ndaj të ftohtit.
Model
"Modelet që ne trajnuam funksionuan pothuajse njësoj në të gjitha llojet sikur të kishit të dhëna në të njëjtën specie dhe i përdornit të dhënat e brendshme për të bërë parashikimet në të njëjtën specie," tha ai, një aluzion çudie që zbehet në zërin e tij muaj më vonë. "Unë me të vërtetë nuk do ta kisha parashikuar atë."
"Ideja që ne thjesht mund t'i ushqejmë të gjitha këto informacione në një kompjuter dhe mund të gjejë të paktën disa rregulla për të bërë parashikime që funksionojnë, është akoma e mahnitshme për mua."
Ato parashikime mund të jenë veçanërisht të dobishme kur merret parasysh alternativa. Për afro një dekadë, biologët e bimëve kanë qenë në gjendje të matin numrin e molekulave të ARN -së - ato përgjegjëse për transkriptimin dhe transportimin e udhëzimeve të ADN -së - të prodhuara nga çdo gjen në një bimë të gjallë. Por krahasimi se si ajo shprehje e gjeneve i përgjigjet të ftohtit në ekzemplarët e gjallë, dhe në specie të shumta, është një ndërmarrje e mundimshme, tha Schnable. Kjo është veçanërisht e vërtetë për bimët e egra, farat e të cilave mund të jenë të vështira për t'u marrë. Ato fara mund të mos mbijnë kur pritet, nëse aspak, dhe mund të duhen vite që të rriten. Edhe nëse e bëjnë këtë, çdo bimë që rezulton duhet të kultivohet në një mjedis identik, të kontrolluar dhe të studiohet në të njëjtën fazë zhvillimi.
Më shumë specie
E gjithë kjo paraqet një sfidë masive për rritjen e mjaft ekzemplarëve të egër, nga mjaft specie të egra, për të përsëritur dhe vlerësuar statistikisht përgjigjet e gjeneve të tyre ndaj të ftohtit.
"Nëse vërtet duam të kuptojmë se cilat gjene janë të rëndësishme - që në fakt luajnë një rol në mënyrën sesi bima përshtatet me të ftohtin - ne duhet të shikojmë më shumë se dy lloje," tha Schnable. "Ne duam të shikojmë një grup specie që janë tolerante ndaj të ftohtit dhe një grup që janë të ndjeshëm, dhe të shikojmë modelet:" Ky gjen i njëjtë gjithmonë përgjigjet në njërën dhe gjithmonë nuk përgjigjet në tjetrin. "
"Ky fillon të bëhet një eksperiment vërtet i madh dhe i shtrenjtë. Do të ishte vërtet mirë nëse mund të bënim parashikime nga sekuencat e ADN -së të atyre specieve, në vend që, për shembull, të marrim 20 specie dhe të përpiqemi t'i marrim të gjitha në të njëjtën fazë, t'i vendosim të gjitha përmes trajtimeve të njëjta të stresit dhe matni sasinë e ARN të prodhuar për secilin gjen në secilën specie. "
Për fat të mirë për modelin, studiuesit tashmë kanë renditur gjenomet e më shumë se 300 llojeve të bimëve. Një përpjekje e vazhdueshme ndërkombëtare mund ta shtyjë atë numër deri në 10,000 gjatë viteve të ardhshme.
Megjithëse modeli tashmë i ka tejkaluar pritjet e tij modeste, Schnable tha se hapi tjetër megjithatë do të përfshijë "të bindur veten dhe njerëzit e tjerë" se funksionon aq mirë sa ka punuar deri më tani. Në çdo rast testimi deri më tani, studiuesit i kanë kërkuar modelit që t'u tregojë atyre atë që ata tashmë e dinin. Testi përfundimtar, tha ai, do të vijë kur njerëzit dhe makina të fillojnë nga e para.
"Eksperimenti tjetër i madh që mendoj se duhet të bëjmë është të bëjmë parashikime për një specie ku nuk kemi fare të dhëna," tha ai. "Për t'i bindur njerëzit se funksionon vërtet në rastet kur as ne nuk i dimë përgjigjet."
Ekipi raportoi gjetjet e tij në revistën Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang dhe Schnable shkruan studimin me Rebecca Roston të Nebraskës, Yang Zhang, Samira Mahboub dhe studentin universitar Daniel Ngu, së bashku me Xiuru Dai, një studiues vizitues nga Universiteti Bujqësor Shandong.
Për më shumë informacion:
Universiteti i Nebraska Lincoln
www.unl.edu