Da Xiaoxi Meng og Zhikai Liang først foreslo ideen for et par år siden, var James Schnable skeptisk. Å si det mildt.
"'Vel, du kan prøve, men jeg tror ikke det kommer til å fungere,'" husket lektor i agronomi og hagebruk og sa til Meng og Liang, da postdoktorale forskere i Schnables laboratorium ved University of Nebraska – Lincoln.
Han tok feil og i ettertid aldri lykkeligere å være. Likevel hadde Schnable på den tiden rimelig grunn til å løfte et øyenbryn. Duoens idé - at DNA-sekvensene til kaldfølsomme avlinger som overgir seg til hard frost, kan bidra til å forutsi hvordan villere, hardere planter tåler fryseforhold - virket dristige. Å si det mildt. Likevel var det et lavrisiko, høyt belønningsforslag. For hvis Meng og Liang kunne få det til å fungere, kan det bare være en rask innsats for å gjøre kaldfølsomme avlinger litt eller til og med mye mer som deres kaldresistente kolleger.
Noen av verdens viktigste avlinger ble tammet i tropiske regioner - mais i det sørlige Mexico, sorghum i Øst-Afrika - som ikke la noe selektivt press på dem for å utvikle forsvar mot kulde eller frysing. Når disse avlingene dyrkes i tøffere klima, begrenser følsomheten overfor kulde hvor tidlig de kan plantes og hvor sent de kan høstes. Kortere vekstsesonger tilsvarer mindre tid for fotosyntese, noe som resulterer i mindre avlinger og mindre mat for en global befolkning som forventes å nærme seg 10 milliarder mennesker innen 2050.
Kaldt klima
Plantearter som allerede vokser i kaldere klima, utviklet i mellomtiden triks for å tåle kulden. De kan rekonfigurere cellemembranene sine for å opprettholde likviditet ved lavere temperaturer, og forhindre at membranene fryser og sprekker. De kan tilsette sukkerstråler til væskene i og rundt disse membranene, og senke frysepunktet på omtrent samme måte som salt gjør et fortau. De kan til og med produsere proteiner som kveler små iskrystaller før disse krystallene vokser til cellebrytende masser.
Alle disse forsvarene har opprinnelse på genetisk nivå, men ikke bare i DNA-sekvensene. Når planter begynner å fryse, kan de reagere ved å slå bestemte gener av eller på - for å forhindre eller la deres genetiske instruksjonsmanualer bli transkribert og utført. Å vite hvilke gener kaldtolerante planter som slås av og på i møte med frysende temperaturer, kan da hjelpe forskere til å forstå grunnlaget for deres befestninger og til slutt konstruere lignende forsvar i kaldfølsomme avlinger.
Men Schnable visste også, som Meng og Liang gjorde, at selv et identisk gen ofte reagerer forskjellig på kulde på tvers av plantearter, til og med nært beslektede. Som frustrerende betyr at forståelsen av hvordan et gen reagerer på kulde hos en art, har en tendens til å fortelle planteforskere nesten ikke noe avgjørende om genets oppførsel hos en annen. Denne uforutsigbarheten har i sin tur hindret innsatsen for å lære reglene som dikterer hva som vil deaktivere eller aktivere gener.
"Vi er fortsatt veldig, veldig dårlige til å forstå hvorfor gener slås av og på," sa Schnable.
Maisplanter
Mangler en regelbok, vendte forskerne seg til maskinlæring, en form for kunstig intelligens som egentlig kan skrive sin egen. De utviklet spesifikt en overvåket klassifiseringsmodell - den typen som, når de presenteres med nok merkede bilder av for eksempel katter og ikke-katter, til slutt lærer å skille førstnevnte fra sistnevnte. Teamet presenterte opprinnelig sin egen modell med en enorm haug med sekvenserte gener fra mais, sammen med det gjennomsnittlige aktivitetsnivået til disse genene når planten ble utsatt for frysetemperaturer. Modellen ble også matet "alle funksjoner vi kunne tenke oss" for hvert maisgen, sa Schnable, inkludert lengden, stabiliteten og eventuelle forskjeller mellom den og andre versjoner av den som finnes i andre maisplanter.
Senere testet forskerne modellen sin ved å skjule bare en del informasjon i en delmengde av disse genene: om de reagerte på begynnelsen av frysende temperaturer, eller om de ikke gjorde det. Ved å analysere funksjonene til gener som det ble fortalt at de enten var responsive eller ikke-responsive, oppdaget modellen hvilke kombinasjoner av disse funksjonene som var relevante for hver - og deretter vellykket flertallet av de gjenværende, mystery-box gener i deres riktige kategorier.
Det var ingen lovende start, uten tvil. Men den virkelige testen forble: Kunne modellen ta opplæringen den hadde fått i en art og bruke den på en annen?
Svaret var et definitivt ja. Etter å ha blitt trent med DNA-data fra bare en av seks arter - mais, sorghum, perlehirse, proso hirse, foxtail hirse eller switchgrass - var modellen generelt i stand til å forutsi hvilke gener i noen av de andre fem som ville svare på frysing. Til Schnables overraskelse holdt modellen opp selv når den ble trent på en kaldfølsom art - mais, sorghum, perle eller proso hirse - men fikk i oppgave å forutsi genresponser i den kaldtolerante revhalshirsen eller brytergresset.
Modell
"Modellene vi trente jobbet nesten like bra på tvers av arter som om du faktisk hadde data i en art og brukte de interne dataene til å komme med spådommer for den samme arten," sa han, og et snev av undring ble liggende i stemmen flere måneder senere. "Jeg ville egentlig ikke ha spådd det."
"Ideen om at vi bare kan mate all denne informasjonen til en datamaskin, og det kan finne ut i det minste noen regler for å komme med spådommer som fungerer, er fortsatt litt utrolig for meg."
Disse spådommene kan være spesielt nyttige når man vurderer alternativet. I omtrent et tiår har plantebiologer faktisk kunnet måle antall RNA-molekyler - de som er ansvarlige for transkribering og transport av DNA-instruksjoner - produsert av hvert gen i en levende plante. Men å sammenligne hvordan dette genuttrykket reagerer på kulde i levende prøver, og på tvers av flere arter, er en omtenksom oppgave, sa Schnable. Det gjelder spesielt med ville planter, hvis frø kan være vanskelige å tilegne seg. Disse frøene kan ikke spire når forventet, hvis i det hele tatt, og det kan ta flere år å vokse. Selv om de gjør det, må hver resulterende plante dyrkes i et identisk, kontrollert miljø og studeres på samme utviklingsstadium.
Flere arter
Alt dette utgjør en stor utfordring for å dyrke nok ville eksemplarer, fra nok ville arter, til å replikere og statistisk evaluere genenes respons på kulde.
"Hvis vi virkelig ønsker å komme oss til hvilke gener som er viktige - som faktisk spiller en rolle i hvordan planten tilpasser seg kulde - må vi se på mer enn to arter," sa Schnable. "Vi vil se på en gruppe arter som er tolerante mot kulde og en gruppe som er følsomme, og se på mønstrene:" Det samme genet reagerer alltid i det ene og svarer alltid ikke i det andre. "
“Det begynner å bli et veldig stort og dyrt eksperiment. Det ville være veldig hyggelig hvis vi bare kunne forutsi DNA-sekvensene til disse artene i stedet for for eksempel å ta 20 arter og prøve å få dem alle på samme stadium, sette dem alle i nøyaktig samme stressbehandlinger, og måle mengden RNA produsert for hvert gen i hver art. ”
Heldigvis for modellen har forskere allerede sekvensert genomene til mer enn 300 plantearter. En pågående internasjonal innsats kan presse tallet så høyt som 10,000 XNUMX i løpet av de neste årene.
Selv om modellen allerede har overgått hans beskjedne forventninger, sa Schnable at neste trinn likevel vil innebære å "overbevise både oss selv og andre mennesker" om at den fungerer så bra som den har gjort hittil. I hvert testtilfelle til dags dato har forskerne bedt modellen om å fortelle dem hva de allerede visste. Den ultimate testen, sa han, vil komme når både mennesker og maskinen starter fra bunnen av.
"Det neste store eksperimentet jeg tror vi trenger å gjøre er å forutsi en art der vi ikke har noen data i det hele tatt," sa han. "Å overbevise folk om at det virkelig fungerer i tilfeller der selv vi ikke vet svarene."
Teamet rapporterte sine funn i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang og Schnable forfattet studien med Nebraskas Rebecca Roston, Yang Zhang, Samira Mahboub og studenterstudenten Daniel Ngu, sammen med Xiuru Dai, en besøkende lærd fra Shandong Agricultural University.
For mer informasjon:
University of Nebraska Lincoln
www.unl.edu