Když Xiaoxi Meng a Zhikai Liang poprvé před několika lety tuto myšlenku navrhli, James Schnable byl skeptický. Přinejmenším.
"" No, můžeš to zkusit, ale nemyslím si, že to bude fungovat, "připomněl docent Agronomie a zahradnictví Mengovi a Liangovi, poté postdoktorandům ve Schnableově laboratoři na University of Nebraska – Lincoln.
Mýlil se a zpětně nikdy nebyl šťastnější. Přesto v té době měl Schnable oprávněný důvod zvednout obočí. Myšlenka dua-že sekvence DNA plodin citlivých na chlad, které se vzdají tuhému mrazu, by mohla pomoci předpovědět, jak divočejší a odolnější rostliny snáší mrazivé podmínky-vypadala odvážně. Přinejmenším. Přesto to byl návrh s nízkým rizikem a vysokou odměnou. Protože kdyby to Meng a Liang mohli dostat do práce, mohlo by to jen zrychlit úsilí o to, aby se plodiny citlivé na chlad trochu nebo dokonce mnohem více podobaly jejich protějškům odolným proti chladu.
Některé z nejdůležitějších plodin na světě se udomácnily v tropických oblastech - kukuřice v jižním Mexiku, čirok ve východní Africe - které na ně nevyvíjely žádný selektivní tlak, aby vytvořily obranu proti chladu nebo mrazu. Když jsou tyto plodiny pěstovány v drsnějším podnebí, jejich citlivost na chlad omezuje, jak brzy mohou být vysazeny a jak pozdě mohou být sklizeny. Kratší vegetační období znamená méně času na fotosyntézu, což má za následek menší výnosy a méně jídla pro globální populaci, která by měla do roku 10 dosáhnout 2050 miliard lidí.
Chladné podnebí
Druhy rostlin, které již rostou v chladnějším podnebí, mezitím vyvinuly triky, jak snést chlad. Mohou překonfigurovat své buněčné membrány, aby udržely likviditu při nižších teplotách, čímž zabraňují zmrazení a lámání membrán. Mohou přidat kapky cukrů do kapalin v těchto membránách a kolem nich, což snižuje jejich bod tuhnutí stejným způsobem, jakým sůl dělá chodník. Mohou dokonce produkovat bílkoviny, které dusí nepatrné ledové krystaly, než tyto krystaly vyrostou v masy mlátící buňky.
Všechny tyto obrany vznikají na genetické úrovni, i když ne jen v sekvencích samotné DNA. Když rostliny začnou mrznout, mohou reagovat v podstatě vypnutím nebo zapnutím určitých genů - zabráněním nebo umožněním přepisu a provedení jejich genetických instrukčních příruček. Vědět, které geny rostliny odolné vůči chladu se vypínají a zapínají tváří v tvář mrazivým teplotám, pak může pomoci vědcům pochopit samotné základy jejich opevnění a nakonec navrhnout podobnou obranu do plodin citlivých na chlad.
Ale Schnable také věděl, stejně jako Meng a Liang, že i identický gen často reaguje odlišně na chlad napříč rostlinnými druhy, dokonce i příbuznými. Což frustrující znamená, že porozumění tomu, jak gen reaguje na chlad u jednoho druhu, má tendenci říci vědcům z rostlin téměř nic průkazného o chování genu v jiném druhu. Tato nepředvídatelnost zase brání úsilí naučit se pravidla, která určují, co deaktivuje nebo aktivuje geny.
"Stále jsme opravdu velmi špatní v chápání toho, proč se geny vypínají a zapínají," řekl Schnable.
Rostliny kukuřice
Vědci postrádali soubor pravidel a obrátili se na strojové učení, což je forma umělé inteligence, která si v podstatě může psát sama. Speciálně vyvinuli model klasifikace pod dohledem-druh, který, když je prezentován dostatečně označenými obrázky, řekněme, koček a ne koček, se nakonec naučí rozlišovat ty první od druhých. Tým původně představil svůj vlastní model s obrovskou hromadou sekvenovaných genů z kukuřice spolu s průměrnými úrovněmi aktivity těchto genů, když byla rostlina vystavena mrazivým teplotám. Model byl také napájen „každou funkcí, na kterou jsme mohli myslet“ pro každý gen kukuřice, řekl Schnable, včetně jeho délky, stability a jakýchkoli rozdílů mezi ním a jinými verzemi, které se nacházejí v jiných rostlinách kukuřice.
Později vědci testovali svůj model tím, že v něm ukryli pouze jednu informaci v podmnožině těchto genů: zda reagovali na nástup mrazivých teplot, nebo ne. Analýzou vlastností genů, o nichž bylo řečeno, že jsou buď responzivní, nebo nereagující, model zjistil, které kombinace těchto vlastností jsou pro každého relevantní-a poté úspěšně zařadil většinu zbývajících genů záhadného boxu do jejich správných kategorií.
Byl to slibný začátek, o tom není pochyb. Skutečný test však zůstal: Mohl by model absolvovat výcvik, který získal u jednoho druhu, a aplikovat jej na jiný?
Odpověď byla definitivní ano. Poté, co byl model vyškolen s daty DNA pouze z jednoho ze šesti druhů - kukuřice, čirok, perlové proso, proso proso, foxtail proso nebo switchgrass - byl obecně schopen předpovědět, které geny v kterémkoli z dalších pěti reagují na zmrazení. K Schnableovu překvapení model vydržel, i když byl vycvičen na druhy citlivé na chlad-kukuřice, čirok, perla nebo proso-ale měl za úkol předpovídat genové reakce v chladu tolerantním liščím nebo rozchodníku.
Model
"Modely, které jsme trénovali, fungovaly téměř stejně napříč druhy, jako kdybyste skutečně měli data u jednoho druhu a použili interní data k předpovědi u stejného druhu," řekl s náznakem úžasu, který v jeho hlase přetrvával měsíce později. "To bych opravdu nepředpověděl."
"Myšlenka, že můžeme všechny tyto informace přenést do počítače a dokáže určit alespoň některá pravidla, aby předpovědi fungovaly, je pro mě stále úžasná."
Tyto předpovědi by se mohly ukázat zvláště užitečné při zvažování alternativy. Rostlinní biologové jsou ve skutečnosti schopni zhruba deset let měřit počet molekul RNA - molekul zodpovědných za přepis a transport instrukcí DNA - produkovaných každým genem v živé rostlině. Ale porovnat, jak tato genová exprese reaguje na chlad v živých vzorcích a u více druhů, je namáhavý podnik, řekl Schnable. To platí zejména pro divoké rostliny, jejichž semena lze jen obtížně získat. Tato semena nemusí klíčit, pokud se očekávají, pokud vůbec, a jejich růst může trvat roky. I když ano, každá výsledná rostlina musí být pěstována ve stejném, kontrolovaném prostředí a studována ve stejné vývojové fázi.
Více druhů
To vše představuje obrovskou výzvu pro pěstování dostatečně divokých exemplářů z dost divokých druhů, aby se replikovaly a statisticky vyhodnotily reakce jejich genů na chlad.
"Pokud opravdu chceme zjistit, jaké geny jsou důležité - to vlastně hraje roli v tom, jak se rostlina přizpůsobuje chladu - musíme se dívat na více než dva druhy," řekl Schnable. "Chceme se podívat na skupinu druhů, které jsou tolerantní k nachlazení, a na skupinu, která je citlivá, a podívat se na vzorce:" Tento stejný gen vždy reaguje v jednom a vždy nereaguje v druhém. "
"Z toho začíná být opravdu velký a drahý experiment." Bylo by opravdu hezké, kdybychom mohli dělat předpovědi ze sekvencí DNA těchto druhů, místo abychom řekněme vzali 20 druhů a pokusili se je všechny dostat do stejné fáze, všechny je podrobit úplně stejným stresovým procedurám a změřte množství RNA produkované pro každý gen v každém druhu. “
Naštěstí pro model vědci již sekvenovali genomy více než 300 druhů rostlin. Pokračující mezinárodní úsilí by mohlo v příštích několika letech tento počet vytlačit až na 10,000 XNUMX.
Ačkoli tento model již divoce překonal jeho skromná očekávání, Schnable uvedl, že další krok bude přesto zahrnovat „přesvědčení sebe i ostatních lidí“, že funguje stejně dobře jako dosud. V každém dosavadním testovacím případě vědci požádali model, aby jim řekl, co už věděli. Konečný test, řekl, přijde, když lidé i stroj začínají od nuly.
"Další velký experiment, který si myslím, že musíme udělat, je předpovědět druh, kde nemáme vůbec žádná data," řekl. "Přesvědčit lidi, že to opravdu funguje v případech, kdy ani my neznáme odpovědi."
Tým informoval o svých zjištěních v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang a Schnable napsali studii s Nebraskou Rebeccou Rostonovou, Yang Zhangem, Samirou Mahboub a vysokoškolákem Danielem Ngu spolu s Xiuru Dai, hostujícím učencem ze zemědělské univerzity v Shandongu.
Pro více informací:
Lincolnova univerzita v Nebrasce
www.unl.edu