Όταν ο Xiaoxi Meng και ο Zhikai Liang πρότειναν για πρώτη φορά την ιδέα πριν από μερικά χρόνια, ο James Schnable ήταν δύσπιστος. Για να πώ το λιγότερο.
«« Λοιπόν, μπορείτε να δοκιμάσετε, αλλά δεν νομίζω ότι θα λειτουργήσει »,« ο αναπληρωτής καθηγητής αγρονομίας και κηπουρικής υπενθύμισε λέγοντας στον Meng και τον Liang, τότε μεταδιδακτορικούς ερευνητές στο εργαστήριο του Schnable στο Πανεπιστήμιο της Νεμπράσκα-Λίνκολν.
Ήταν λάθος και, εκ των υστέρων, ποτέ δεν ήταν πιο ευτυχισμένος. Ωστόσο, τότε, η Schnable είχε δίκαιο λόγο να σηκώσει ένα φρύδι. Η ιδέα του ντουέτου - ότι οι αλληλουχίες DNA των ευαίσθητων στο κρύο καλλιεργειών που παραδίδονται σε έναν σκληρό παγετό θα μπορούσαν να βοηθήσουν να προβλέψουν πώς τα πιο άγρια, πιο σκληρά φυτά ανέχονται τις συνθήκες ψύξης - φαινόταν τολμηρή. Για να πώ το λιγότερο. Ακόμα, ήταν μια πρόταση χαμηλού κινδύνου, υψηλής ανταμοιβής. Επειδή αν ο Μεν και ο Λιανγκ μπορούσαν να λειτουργήσουν, θα μπορούσαν απλώς να προχωρήσουν γρήγορα οι ευαίσθητες στο κρύο καλλιέργειες λίγο ή και πολύ περισσότερο σαν τα αντίστοιχα ανθεκτικά στο κρύο.
Μερικές από τις πιο σημαντικές καλλιέργειες του κόσμου εξημερώθηκαν σε τροπικές περιοχές - καλαμπόκι στο νότιο Μεξικό, σόργο στην ανατολική Αφρική - που δεν τους επέβαλε επιλεκτική πίεση για να εξελίσσουν άμυνα ενάντια στο κρύο ή την κατάψυξη. Όταν αυτές οι καλλιέργειες καλλιεργούνται σε σκληρότερα κλίματα, η ευαισθησία τους στο κρύο περιορίζει πόσο νωρίς μπορούν να φυτευτούν και πόσο αργά μπορούν να συλλεχθούν. Οι μικρότερες εποχές καλλιέργειας ισοδυναμούν με λιγότερο χρόνο για τη φωτοσύνθεση, με αποτέλεσμα μικρότερες αποδόσεις και λιγότερη τροφή για έναν παγκόσμιο πληθυσμό που αναμένεται να προσεγγίσει 10 δισεκατομμύρια ανθρώπους έως το 2050.
Κρύα κλίματα
Τα φυτικά είδη που ήδη αναπτύσσονται σε ψυχρότερα κλίματα, εν τω μεταξύ, εξελίχθηκαν κόλπα για να αντέξουν το κρύο. Μπορούν να αναδιαμορφώσουν τις κυτταρικές μεμβράνες τους για να διατηρήσουν τη ρευστότητά τους σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, εμποδίζοντας τις μεμβράνες να παγώσουν και να σπάσουν. Μπορούν να προσθέσουν παύλες σακχάρων στα υγρά μέσα και γύρω από αυτές τις μεμβράνες, μειώνοντας το σημείο πήξης τους με τον ίδιο τρόπο που το αλάτι κάνει ένα πεζοδρόμιο. Μπορούν ακόμη και να παράγουν πρωτεΐνες που πνίγουν τους μικρούς κρυστάλλους πάγου προτού αυτοί οι κρύσταλλοι αναπτυχθούν σε μάζες που καταστρέφουν τα κύτταρα.
Όλες αυτές οι άμυνες προέρχονται από το γενετικό επίπεδο, αν και όχι μόνο στις ακολουθίες του ίδιου του DNA. Όταν τα φυτά αρχίζουν να παγώνουν, μπορούν να ανταποκριθούν ουσιαστικά απενεργοποιώντας ή ενεργοποιώντας ορισμένα γονίδια - αποτρέποντας ή επιτρέποντας τη μεταγραφή και εκτέλεση των εγχειριδίων γενετικών οδηγιών. Γνωρίζοντας ποια γονίδια ανθεκτικά στο ψυχρό φυτό απενεργοποιούνται και ενεργοποιούνται ενόψει θερμοκρασίας κατάψυξης, τότε, μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν τα ίδια τα θεμέλια των οχυρώσεών τους και, τελικά, να σχεδιάσουν παρόμοιες άμυνες σε ευαίσθητες στο κρύο καλλιέργειες.
Αλλά ο Schnable γνώριζε επίσης, όπως και ο Meng και ο Liang, ότι ακόμη και ένα πανομοιότυπο γονίδιο ανταποκρίνεται συχνά διαφορετικά στο κρύο μεταξύ των φυτικών ειδών, ακόμη και σε στενά συγγενή. Αυτό σημαίνει, απογοητευτικά, ότι η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ένα γονίδιο αποκρίνεται στο κρύο σε ένα είδος τείνει να λέει στους επιστήμονες των φυτών σχεδόν τίποτα σχετικά με τη συμπεριφορά του γονιδίου σε άλλο. Αυτό το απρόβλεπτο, με τη σειρά του, εμπόδισε τις προσπάθειες να μάθουν τους κανόνες που υπαγορεύουν τι θα απενεργοποιήσει ή θα ενεργοποιήσει τα γονίδια.
«Είμαστε ακόμα πολύ, πολύ κακοί στην κατανόηση γιατί τα γονίδια απενεργοποιούνται και ενεργοποιούνται», είπε ο Schnable.
Φυτά καλαμποκιού
Έχοντας έλλειψη βιβλίου κανόνων, οι ερευνητές στράφηκαν στη μηχανική μάθηση, μια μορφή τεχνητής νοημοσύνης που ουσιαστικά μπορεί να γράψει τη δική της. Αναπτύσσουν συγκεκριμένα ένα εποπτευόμενο μοντέλο ταξινόμησης - το είδος που μπορεί, όταν παρουσιάζεται με αρκετές ετικέτες, για παράδειγμα, γάτες και όχι γάτες, να μάθει τελικά να διακρίνει το πρώτο από το δεύτερο. Η ομάδα παρουσίασε αρχικά το δικό της μοντέλο με έναν τεράστιο σωρό γονιδιακών αλληλουχιών από καλαμπόκι, μαζί με τα μέσα επίπεδα δραστηριότητας αυτών των γονιδίων όταν το φυτό υπέστη θερμοκρασίες ψύξης. Το μοντέλο τροφοδοτήθηκε επίσης «κάθε χαρακτηριστικό που θα μπορούσαμε να σκεφτούμε» για κάθε γονίδιο καλαμποκιού, είπε ο Schnable, συμπεριλαμβανομένου του μήκους του, της σταθερότητάς του και τυχόν διαφορών μεταξύ αυτού και άλλων εκδόσεων που βρέθηκαν σε άλλα φυτά καλαμποκιού.
Αργότερα, οι ερευνητές δοκίμασαν το μοντέλο τους αποκρύπτοντας απλώς ένα κομμάτι πληροφοριών σε ένα υποσύνολο αυτών των γονιδίων: αν ανταποκρίθηκαν στην έναρξη των θερμοκρασιών ψύξης ή αν δεν το έκαναν. Αναλύοντας τα χαρακτηριστικά των γονιδίων που είχαν ειπωθεί ήταν είτε ανταποκρινόμενα είτε μη ανταποκρινόμενα, το μοντέλο διαπίστωσε ποιοι συνδυασμοί αυτών των χαρακτηριστικών ήταν σχετικοί με το καθένα - και στη συνέχεια εισήγαγε με επιτυχία την πλειονότητα των υπόλοιπων γονιδίων μυστηρίου στις σωστές κατηγορίες τους.
Ήταν μια πολλά υποσχόμενη αρχή, χωρίς αμφιβολία. Αλλά το πραγματικό τεστ παρέμεινε: Θα μπορούσε το μοντέλο να λάβει την εκπαίδευση που είχε λάβει σε ένα είδος και να το εφαρμόσει σε άλλο;
Η απάντηση ήταν οριστική ναι. Αφού εκπαιδεύτηκε με δεδομένα DNA μόνο από ένα από τα έξι είδη - καλαμπόκι, σόργο, κεχρί μαργαριταριών, κεχρί proso, κεχρί αλουμινίου ή switchgrass - το μοντέλο ήταν γενικά σε θέση να προβλέψει ποια γονίδια σε οποιοδήποτε από τα άλλα πέντε θα ανταποκρίνονταν στην κατάψυξη. Προς έκπληξη του Schnable, το μοντέλο κράτησε ακόμα και όταν εκπαιδεύτηκε σε ένα ευαίσθητο στο κρύο είδος - καλαμπόκι, σόργο, μαργαριτάρι ή κεχρί proso - αλλά ανέλαβε την πρόβλεψη γονιδιακών αποκρίσεων στο κεχρί αλουμινίου ανθεκτικό στο κρύο ή στο switchgrass.
Μοντέλο
«Τα μοντέλα που εκπαιδεύσαμε λειτουργούσαν σχεδόν εξίσου σε όλα τα είδη σαν να είχατε πραγματικά δεδομένα σε ένα είδος και χρησιμοποιήσατε τα εσωτερικά δεδομένα για να κάνετε τις προβλέψεις σε αυτό το ίδιο είδος», είπε, μια υπόδειξη του θαύματος που παραμένει στη φωνή του μήνες αργότερα. «Πραγματικά δεν θα το είχα προβλέψει».
«Η ιδέα ότι μπορούμε απλώς να τροφοδοτήσουμε όλες αυτές τις πληροφορίες σε έναν υπολογιστή και να καταλάβουμε τουλάχιστον μερικούς κανόνες για να κάνουμε τις προβλέψεις που λειτουργούν, εξακολουθεί να είναι κάπως καταπληκτική για μένα».
Αυτές οι προβλέψεις θα μπορούσαν να αποδειχθούν ιδιαίτερα χρήσιμες όταν εξετάζουμε την εναλλακτική. Για περίπου μια δεκαετία, οι βιολόγοι των φυτών μπόρεσαν να μετρήσουν τον αριθμό των μορίων RNA - εκείνων που είναι υπεύθυνα για τη μεταγραφή και τη μεταφορά οδηγιών DNA - που παράγονται από κάθε γονίδιο σε ένα ζωντανό φυτό. Αλλά η σύγκριση του τρόπου με τον οποίο αυτή η γονιδιακή έκφραση ανταποκρίνεται στο κρύο σε ζώντα δείγματα και σε πολλά είδη, είναι μια επίπονη προσπάθεια, δήλωσε ο Schnable. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τα άγρια φυτά, των οποίων οι σπόροι μπορεί να είναι δύσκολο ακόμη και να αποκτηθούν. Αυτοί οι σπόροι μπορεί να μην βλαστήσουν όταν αναμενόταν, αν όχι καθόλου, και μπορεί να χρειαστούν χρόνια για να αναπτυχθούν. Ακόμα κι αν το κάνουν, κάθε προκύπτον φυτό πρέπει να καλλιεργηθεί σε ένα ίδιο, ελεγχόμενο περιβάλλον και να μελετηθεί στο ίδιο αναπτυξιακό στάδιο.
Περισσότερα είδη
Όλα αυτά αποτελούν μια τεράστια πρόκληση για την ανάπτυξη αρκετών άγριων δειγμάτων, από αρκετά άγρια είδη, για την αναπαραγωγή και αξιολόγηση στατιστικών των απαντήσεων των γονιδίων τους στο κρύο.
«Εάν θέλουμε πραγματικά να δούμε ποια γονίδια είναι σημαντικά - που στην πραγματικότητα διαδραματίζουν ρόλο στον τρόπο προσαρμογής του φυτού στο κρύο - πρέπει να εξετάσουμε περισσότερα από δύο είδη», δήλωσε ο Schnable. «Θέλουμε να δούμε μια ομάδα ειδών που είναι ανεκτική στο κρύο και μια ομάδα που είναι ευαίσθητη, και να δούμε τα μοτίβα:« Αυτό το ίδιο γονίδιο αποκρίνεται πάντα σε ένα και δεν αποκρίνεται πάντα στο άλλο. »
«Αυτό αρχίζει να γίνεται ένα πολύ μεγάλο και ακριβό πείραμα. Θα ήταν πολύ ωραίο αν μπορούσαμε απλώς να κάνουμε προβλέψεις από τις ακολουθίες DNA αυτών των ειδών αντί, ας πούμε, να πάρουμε 20 είδη και να προσπαθήσουμε να τα πάρουμε όλα στο ίδιο στάδιο, να τα βάλουμε όλα με τις ίδιες θεραπείες άγχους και μετρήστε την ποσότητα RNA που παράγεται για κάθε γονίδιο σε κάθε είδος.
Ευτυχώς για το μοντέλο, οι ερευνητές έχουν ήδη αλληλουχήσει τα γονιδιώματα περισσότερων από 300 ειδών φυτών. Μια συνεχής διεθνής προσπάθεια θα μπορούσε να ωθήσει αυτόν τον αριθμό έως 10,000 τα επόμενα χρόνια.
Αν και το μοντέλο έχει ήδη ξεπεράσει τις μέτριες προσδοκίες του, ο Schnable είπε ότι το επόμενο βήμα θα περιλαμβάνει ωστόσο «να πείσουμε τόσο τον εαυτό μας όσο και τους άλλους ανθρώπους» ότι λειτουργεί όπως και μέχρι τώρα. Σε κάθε δοκιμαστική περίπτωση μέχρι σήμερα, οι ερευνητές ζήτησαν από το μοντέλο να τους πει τι γνωρίζουν ήδη. Το απόλυτο τεστ, είπε, θα έρθει όταν τόσο οι άνθρωποι όσο και η μηχανή ξεκινούν από το μηδέν.
«Το επόμενο μεγάλο πείραμα που νομίζω ότι πρέπει να κάνουμε είναι να κάνουμε προβλέψεις για ένα είδος όπου δεν έχουμε καθόλου δεδομένα», είπε. «Για να πείσουμε τους ανθρώπους ότι λειτουργεί πραγματικά σε περιπτώσεις όπου ακόμη και δεν γνωρίζουμε τις απαντήσεις».
Η ομάδα ανέφερε τα ευρήματά της στο περιοδικό Proceedings of the National Academy of Sciences. Οι Meng, Liang και Schnable συνέταξαν τη μελέτη με την Rebecca Roston της Νεμπράσκα, τον Yang Zhang, τη Samira Mahboub και τον προπτυχιακό φοιτητή Daniel Ngu, μαζί με τον Xiuru Dai, έναν επισκέπτη μελετητή από το Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Shandong.
Για περισσότερες πληροφορίες:
Πανεπιστήμιο της Νεμπράσκα Λίνκολν
www.unl.edu