Nang unang iminungkahi ni Xiaoxi Meng at Zhikai Liang ang ideya ilang taon na ang nakalilipas, si James Schnable ay may pag-aalinlangan. Para masabi lang.
"'Kaya, maaari mong subukan, ngunit sa palagay ko hindi ito gagana,'” naalala ng associate professor ng agronomy at hortikultura na nagsabi kina Meng at Liang, pagkatapos ay mga mananaliksik na postdoctoral sa lab ni Schnable sa University of Nebraska – Lincoln.
Siya ay mali at, kung iisipin, hindi kailanman naging mas masaya. Ngunit sa panahong iyon, si Schnable ay may patas na dahilan upang itaas ang isang kilay. Ang ideya ng duo - na ang mga pagkakasunud-sunod ng DNA ng mga malamig na sensitibong pananim na sumuko sa isang matigas na hamog na nagyelo ay maaaring makatulong na hulaan kung paano mas matatag, mas matigas ang mga halaman ang mga kondisyon ng pagyeyelo - ay parang mapangahas. Para masabi lang. Gayunpaman, ito ay isang mababang peligro, mataas na gantimpala na panukala. Dahil kung magagawa ito nina Meng at Liang na gumana, maaari lamang itong masubaybayan nang mabilis ang mga pagsisikap na gumawa ng mga malamig na sensitibong pananim ng kaunti o kahit na mas katulad ng kanilang mga katapat na malamig na lumalaban.
Ang ilan sa mga pinakamahalagang pananim sa buong mundo ay naalagaan sa mga tropikal na rehiyon - mais sa southern Mexico, sorghum sa silangang Africa - na hindi nagbigay ng pumipiling presyon sa kanila na magbago ng mga panlaban laban sa malamig o pagyeyelo. Kapag ang mga pananim na iyon ay lumago sa mas mabibigat na klima, ang kanilang pagiging sensitibo sa malamig na nililimitahan kung gaano kaaga sila maaaring itanim at kung gaano sila huli na maaani. Ang mas maiikling lumalaking panahon ay katumbas ng mas kaunting oras para sa potosintesis, na nagreresulta sa mas maliit na ani at mas kaunting pagkain para sa isang pandaigdigang populasyon na inaasahang lalapit sa 10 bilyong katao sa 2050.
Malamig na klima
Ang mga species ng halaman na tumubo na sa mas malamig na klima, samantala, nagbago ng mga trick upang matiis ang lamig. Maaari nilang mai-configure muli ang kanilang mga cellular membrane upang mapanatili ang pagkatubig sa mas mababang temperatura, pinipigilan ang lamad mula sa pagyeyelo at pagkabali. Maaari silang magdagdag ng mga gitling ng asukal sa mga likido sa at paligid ng mga lamad na iyon, na ibinababa ang kanilang lugar na nagyeyelong pareho sa paraan ng asin sa isang sidewalk's. Maaari pa silang gumawa ng mga protina na pumipinsala sa mga minuscule na kristal ng yelo bago ang mga kristal na iyon ay lumago sa maraming masa ng cell.
Ang lahat ng mga panlaban na iyon ay nagmula sa antas ng genetiko, kahit na hindi lamang sa mga pagkakasunud-sunod ng DNA mismo. Kapag nagsimulang mag-freeze ang mga halaman, maaari silang tumugon sa pamamagitan ng mahalagang pag-off o pag-on ng ilang mga gen - pinipigilan o pinapayagan ang kanilang mga manual na tagubilin sa genetiko na isalin at isagawa. Ang pag-alam kung aling mga gen ang malamig na mapagparaya na mga halaman na naka-off at on sa harap ng mga nagyeyelong temperatura, kung gayon, ay makakatulong sa mga mananaliksik na maunawaan ang mga pundasyon ng kanilang kuta at, sa huli, mag-engineer ng mga katulad na panlaban sa mga pananim na sensitibo sa malamig.
Ngunit alam din ni Schnable, tulad ng ginawa nina Meng at Liang, na kahit ang isang magkaparehong gene ay madalas na tumutugon nang iba sa malamig sa mga species ng halaman, kahit na malapit na magkaugnay. Na nangangahulugang, nakakabigo, na ang pag-unawa sa kung paano ang isang gen ay tumutugon sa malamig sa isang species ay may kaugaliang sabihin sa mga siyentipiko ng halaman na halos walang kapani-paniwala tungkol sa pag-uugali ng gene sa iba pa. Ang pagiging hindi mahuhulaan na iyon, ay pumipigil sa pagsisikap na malaman ang mga patakaran na nagdidikta kung ano ang magpapawalang-bisa o magpapagana ng mga gen.
"Kami pa rin talaga, talagang masamang maunawaan kung bakit naka-on at nakabukas ang mga gen," sabi ni Schnable.
Mga halaman ng mais
Dahil sa kawalan ng isang librong panuntunan, ang mga mananaliksik ay bumaling sa pag-aaral ng makina, isang uri ng artipisyal na intelektuwal na maaaring sumulat ng sarili nitong. Partikular nilang binuo ang isang pinangangasiwaang modelo ng pag-uuri - ang uri na maaari, kapag ipinakita na may sapat na may label na mga imahe ng, sabihin nating, pusa at hindi-pusa, kalaunan natutunan na makilala ang una mula sa huli. Ang koponan ay paunang ipinakita ang sarili nitong modelo na may isang napakalaking tumpok ng mga sunud-sunod na gen mula sa mais, kasama ang average na antas ng aktibidad ng mga gen na iyon nang ang halaman ay napailalim sa mga nagyeyelong temperatura. Pinakain din ang modelo ng "bawat tampok na naiisip natin" para sa bawat gene ng mais, sinabi ni Schnable, kasama ang haba, katatagan nito at anumang pagkakaiba sa pagitan nito at iba pang mga bersyon nito na natagpuan sa iba pang mga halaman ng mais.
Nang maglaon, sinubukan ng mga mananaliksik ang kanilang modelo sa pamamagitan ng pagtatago mula dito ng isang piraso lamang ng impormasyon sa isang subset ng mga gen na iyon: kung tumugon sila sa simula ng mga nagyeyelong temperatura, o kung hindi. Sa pamamagitan ng pag-aaral ng mga tampok ng mga gen na sinabi na ito ay alinman sa tumutugon o hindi tumutugon, ang modelo ay nakilala kung aling mga kumbinasyon ng mga tampok na iyon ang nauugnay sa bawat isa - at pagkatapos ay matagumpay na naalis ang karamihan ng mga natitira, mga kahon ng misteryo-kahon sa kanilang mga tamang kategorya.
Ito ay isang promising simula, walang duda. Ngunit ang totoong pagsubok ay nanatili: Maaari bang gawin ng modelo ang pagsasanay na natanggap nito sa isang species at ilapat ito sa isa pa?
Ang sagot ay isang tiyak na oo. Matapos sanayin sa data ng DNA mula sa isa lamang sa anim na species - mais, sorghum, perlas millet, proso millet, foxtail millet o switchgrass - ang modelo ay karaniwang nahulaan kung aling mga gen sa alinman sa iba pang limang ang tutugon sa pagyeyelo. Sa sorpresa ni Schnable, ang modelo ay nagtaglay kahit na ito ay sinanay sa isang malamig na species na mais - mais, sorghum, perlas o proso millet - ngunit naatasan na mahulaan ang mga tugon sa gene sa cold-tolerant foxtail millet o switchgrass.
modelo
"Ang mga modelo na sinanay namin ay gumana ng halos lahat sa mga species tulad ng kung mayroon kang talagang data sa isang species at ginamit ang panloob na data upang magawa ang mga hula sa parehong species," sinabi niya, isang pahiwatig ng pagtataka na nagtatagal sa kanyang boses buwan na ang lumipas. "Hindi ko talaga hinulaan iyon."
"Ang ideya na maaari lamang nating pakainin ang lahat ng impormasyong ito sa isang computer, at maaari nitong malaman ang ilang mga patakaran upang magawa ang mga hula na gumagana, ay kamangha-mangha pa rin sa akin."
Ang mga hula na iyon ay maaaring patunayan na kapaki-pakinabang kapag isinasaalang-alang ang kahalili. Sa humigit-kumulang isang dekada, ang mga biologist ng halaman ay talagang nakasukat sa bilang ng mga molekula ng RNA - ang responsable sa paglilipat at pagdadala ng mga tagubilin sa DNA - na ginawa ng bawat gene sa isang nabubuhay na halaman. Ngunit ang paghahambing kung paano tumutugon ang ekspresyong iyon ng gene sa malamig sa mga nabubuhay na ispesimen, at sa maraming mga species, ay isang maingat na gawain, sinabi ni Schnable. Partikular na totoo iyon sa mga ligaw na halaman, na ang mga binhi ay maaaring mahirap makuha. Ang mga binhing iyon ay maaaring hindi tumubo kung inaasahan, kung sabagay, at maaaring tumagal ng maraming taon upang lumago. Kahit na gawin nila ito, ang bawat nagresultang halaman ay kailangang linangin sa isang magkatulad, kinokontrol na kapaligiran at pinag-aralan sa parehong yugto ng pag-unlad.
Mas maraming species
Ang lahat ng iyon ay nagdudulot ng isang napakalaking hamon sa lumalaking sapat na ligaw na mga ispesimen, mula sa sapat na ligaw na species, upang magtiklop at suriin nang istatistika ang mga tugon ng kanilang mga gen sa malamig.
"Kung talagang nais nating makuha kung anong mga genes ang mahalaga - na talagang may papel sa kung paano umangkop ang halaman sa malamig - kailangan nating tingnan ang higit sa dalawang species," sabi ni Schnable. "Nais naming tingnan ang isang pangkat ng mga species na mapagparaya sa sipon at isang pangkat na sensitibo, at tingnan ang mga pattern:" Ang parehong gen na ito ay laging tumutugon sa isa at palaging hindi tumutugon sa isa pa. "
"Nagsisimula iyon upang maging isang talagang malaki at mamahaling eksperimento. Magiging maganda kung makakagawa lamang tayo ng mga hula mula sa mga pagkakasunud-sunod ng DNA ng mga species sa halip na, sabihin nating, pagkuha ng 20 species at sinusubukang makuha ang lahat sa kanila sa parehong yugto, ilagay ang lahat sa eksaktong eksaktong paggamot ng stress, at sukatin ang dami ng ginawa ng RNA para sa bawat gene sa bawat species. "
Sa kasamaang palad para sa modelo, ang mga mananaliksik ay nagsunud-sunod na ng mga genome ng higit sa 300 species ng halaman. Ang isang nagpapatuloy na pagsisikap sa internasyonal ay maaaring itulak ang bilang na kasing taas ng 10,000 sa mga susunod na taon.
Kahit na ang modelo ay wildly lumampas sa kanyang katamtamang mga inaasahan, sinabi ni Schnable na ang susunod na hakbang ay gayunpaman ay kasangkot sa "pagkumbinsi sa kapwa natin at iba pang mga tao" na ito ay gumagana pati na rin sa ngayon. Sa bawat kaso ng pagsubok hanggang ngayon, tinanong ng mga mananaliksik ang modelo na sabihin sa kanila ang alam na nila. Ang tunay na pagsubok, sinabi niya, ay darating kapag ang parehong mga tao at ang makina ay nagsisimula mula sa simula.
"Ang susunod na malaking eksperimento sa palagay ko kailangan nating gawin ay gumawa ng mga hula sa isang species kung saan wala kaming anumang data," aniya. "Upang kumbinsihin ang mga tao na talaga itong gumagana sa mga kaso kung saan kahit na hindi namin alam ang mga sagot."
Iniulat ng koponan ang mga natuklasan nito sa journal na Mga Pamamaraan ng National Academy of Science. Sina Meng, Liang at Schnable ang may akda ng pag-aaral kasama sina Nebraska na Rebecca Roston, Yang Zhang, Samira Mahboub at undergraduate na mag-aaral na si Daniel Ngu, kasama si Xiuru Dai, isang dalaw na iskolar mula sa Shandong Agricultural University.
Para sa karagdagang impormasyon:
Unibersidad ng Nebraska Lincoln
www.unl.edu