Meta Xiaoxi Meng u Zhikai Liang għall-ewwel darba pproponew l-idea ftit tas-snin ilu, James Schnable kien xettiku. Biex ngħid l-inqas.
"'Tajjeb, tista' tipprova, imma ma naħsibx li sejjer jaħdem, '" fakkar il-professur assoċjat tal-agronomija u l-ortikultura lil Meng u Liang, imbagħad riċerkaturi postdottorali fil-laboratorju ta' Schnable fl-Università ta 'Nebraska – Lincoln.
Huwa kien żbaljat u, fid-dawl ta 'wara, qatt ma kien kuntent li jkun. Iżda dak iż-żmien, Schnable kellu raġuni ġusta biex iqajjem eyebrow. L-idea tad-duo - li s-sekwenzi tad-DNA ta 'għelejjel sensittivi għall-kesħa li jċedu għal ġlata iebsa tista' tgħin biex tbassar kif pjanti iktar selvaġġi u iebsa jittolleraw il-kundizzjonijiet ta 'ffriżar - dehru audacious. Biex ngħid l-inqas. Xorta waħda, kienet proposta b'riskju baxx u bi premju għoli. Minħabba li jekk Meng u Liang jistgħu jġibuha taħdem, jistgħu sempliċement jgħaġġlu l-isforzi biex jagħmlu uċuħ tar-raba 'sensittivi għall-kesħa ftit jew saħansitra ħafna iktar bħall-kontropartijiet tagħhom reżistenti għall-kesħa.
Uħud mill-uċuħ l-aktar importanti tad-dinja ġew domestikati f'reġjuni tropikali - qamħ fin-Nofsinhar tal-Messiku, sorgu fl-Afrika tal-Lvant - li ma poġġew l-ebda pressjoni selettiva fuqhom biex jevolvu difiżi kontra l-kesħa jew l-iffriżar. Meta dawk l-uċuħ tar-raba 'jitkabbru fi klimi iktar ħorox, is-sensittività tagħhom għall-kesħa tillimita kemm jistgħu jiġu mħawla kmieni u kemm jistgħu jiġu maħsuda tard. Staġuni iqsar tat-tkabbir huma inqas minn żmien għall-fotosintesi, li jirriżulta f'rendimenti iżgħar u inqas ikel għal popolazzjoni globali li mistennija tersaq lejn 10 biljun persuna sal-2050.
Klimi kesħin
Sadanittant, speċi ta ’pjanti li diġà jikbru fi klimi kesħin evolvew tricks biex jissaportu l-kesħa. Jistgħu jikkonfiguraw mill-ġdid il-membrani ċellulari tagħhom biex iżommu l-likwidità f'temperaturi aktar baxxi, u jipprevjenu l-membrani mill-iffriżar u l-ksur. Jistgħu jżidu sings ta 'zokkor mal-likwidi ġewwa u madwar dawk il-membrani, u jbaxxu l-punt ta' ffriżar tagħhom bl-istess mod li l-melħ jagħmel bankina. Jistgħu saħansitra jipproduċu proteini li jrażżnu kristalli tas-silġ minuskoli qabel ma dawk il-kristalli jikbru f'massa li tfarrak iċ-ċelloli.
Dawk id-difiżi kollha joriġinaw fil-livell ġenetiku, għalkemm mhux biss fis-sekwenzi tad-DNA innifsu. Meta l-pjanti jibdew jiffriżaw, jistgħu jirrispondu billi essenzjalment idawru jew jixegħlu ċerti ġeni - jipprevjenu jew jippermettu li l-manwali tal-istruzzjoni ġenetika tagħhom jiġu traskritti u mwettqa. Li tkun taf liema ġeni ta ’pjanti li jittolleraw il-kesħa jitfu u jixegħlu quddiem temperaturi ta’ ffriżar, allura, jista ’jgħin lir-riċerkaturi jifhmu l-pedamenti stess tal-fortifikazzjonijiet tagħhom u, fl-aħħar mill-aħħar, inġineraw difiżi simili f’uċuħ sensittivi għall-kesħa.
Iżda Schnable kien jaf ukoll, bħalma għamlu Meng u Liang, li anke ġene identiku spiss jirrispondi b'mod differenti għall-kesħa fost l-ispeċi tal-pjanti, anke dawk relatati mill-qrib. Li jfisser, b'mod frustranti, li l-fehim ta 'kif ġene jirrispondi għall-kesħa fi speċi waħda għandu tendenza li jgħid lix-xjenzati tal-pjanti kważi xejn konklużiv dwar l-imġieba tal-ġene f'oħra. Dik l-imprevedibbiltà, min-naħa tagħha, xekklet l-isforzi biex jitgħallmu r-regoli li jiddettaw dak li se jiddiżattiva jew jattiva l-ġeni.
"Aħna għadna tassew, tassew ħżiena biex nifhmu għaliex il-ġeni jitfu u jixegħlu," qal Schnable.
Pjanti tal-qamħ
Minħabba li m'għandhomx ktieb tar-regoli, ir-riċerkaturi daru lejn it-tagħlim bil-magni, forma ta 'intelliġenza artifiċjali li essenzjalment tista' tikteb tagħha stess. Huma żviluppaw speċifikament mudell ta 'klassifikazzjoni ssorveljat - it-tip li jista', meta jiġi ppreżentat b'biżżejjed immaġini ttikkettjati ta ', ngħidu aħna, qtates u mhux qtates, eventwalment jitgħallmu jiddistingwu l-ewwel minn tal-aħħar. It-tim inizjalment ippreżenta l-mudell tiegħu stess ma 'munzell enormi ta' ġeni sekwenzati mill-qamħ, flimkien mal-livelli medji ta 'attività ta' dawk il-ġeni meta l-pjanta kienet soġġetta għal temperaturi ta 'ffriżar. Il-mudell ingħata wkoll "kull karatteristika li nistgħu naħsbu dwarha" għal kull ġene tal-qamħ, qal Schnable, inkluż it-tul tiegħu, l-istabbiltà tiegħu u kwalunkwe differenza bejnu u verżjonijiet oħra tiegħu misjuba f'impjanti oħra tal-qamħ.
Aktar tard, ir-riċerkaturi ttestjaw il-mudell tagħhom billi ħbew minnha biċċa informazzjoni biss f’sottogrupp ta ’dawk il-ġeni: jekk irrispondewx għall-bidu ta’ temperaturi ta ’ffriżar, jew jekk le. Billi analizza l-karatteristiċi tal-ġeni li kien qal li kienu jew li jirrispondu jew li ma jirrispondux, il-mudell għaraf liema kombinazzjonijiet ta 'dawk il-karatteristiċi kienu relevanti għal kull wieħed - u mbagħad poġġa b'suċċess il-maġġoranza tal-bqija tal-ġeni misterjużi fil-kategoriji korretti tagħhom.
Kien bidu promettenti, bla dubju. Iżda t-test veru baqa ': Jista' l-mudell jieħu t-taħriġ li kien irċieva fi speċi waħda u japplikah għal oħra?
It-tweġiba kienet iva definittiva. Wara li ġie mħarreġ bid-dejta tad-DNA minn waħda biss minn sitt speċi - qamħ, sorgu, millieġ perla, millieġ proso, millieġ foxtail jew switchgrass - il-mudell kien ġeneralment kapaċi jbassar liema ġeni fi kwalunkwe mill-ħamsa l-oħra jirrispondu għall-iffriżar. Għas-sorpriża ta 'Schnable, il-mudell żamm anki meta kien imħarreġ fuq speċi sensittiva għall-kesħa - qamħ, sorgu, perla jew millieġ proso - iżda inkarigat li jbassar ir-risponsi tal-ġeni fil-millieġ foxtail tolleranti għall-kesħa jew switchgrass.
mudell
"Il-mudelli li ħarreġna ħadmu kważi daqs l-ispeċi daqs li kieku fil-fatt kellek dejta fi speċi waħda u użajt id-dejta interna biex tagħmel it-tbassir f'dik l-istess speċi," huwa qal, ħjiel ta 'għaġeb li jdum fil-vuċi tiegħu xhur wara. "Verament ma kontx tbassar dak."
"L-idea li nistgħu sempliċement indaħħlu din l-informazzjoni kollha f'kompjuter, u tista 'ssib mill-inqas xi regoli biex tagħmel tbassir li jaħdem, għadha xi ħaġa tal-għaġeb għalija."
Dawk il-previżjonijiet jistgħu jkunu utli speċjalment meta tiġi kkunsidrata l-alternattiva. Għal madwar għaxar snin, il-bijoloġisti tal-pjanti fil-fatt setgħu jkejlu n-numru ta 'molekuli ta' RNA - dawk responsabbli għat-traskrizzjoni u t-trasport ta 'struzzjonijiet tad-DNA - prodotti minn kull ġene f'impjant ħaj. Iżda li tqabbel kif dik l-espressjoni tal-ġene tirrispondi għall-kesħa f'kampjuni ħajjin, u fuq bosta speċi, hija impenn iebes, qal Schnable. Dan jgħodd partikolarment għal pjanti selvaġġi, li ż-żrieragħ tagħhom jistgħu jkunu diffiċli biex jinkisbu. Dawk iż-żrieragħ jistgħu ma jiġġerminawx meta jkun mistenni, jekk xejn, u jistgħu jieħdu s-snin biex jikbru. Anki jekk jagħmlu dan, kull pjanta li tirriżulta trid tkun ikkultivata f'ambjent identiku u kkontrollat u studjata fl-istess stadju ta 'żvilupp.
Aktar speċi
Dak kollu joħloq sfida kbira biex tkabbar biżżejjed kampjuni selvaġġi, minn biżżejjed speċi selvaġġi, biex tirreplika u tevalwa statistikament ir-rispons tal-ġeni tagħhom għall-kesħa.
"Jekk tassew irridu naslu għal liema ġeni huma importanti - li fil-fatt għandhom rwol fil-mod kif il-pjanta tadatta għall-kesħa - għandna nkunu qed inħarsu lejn aktar minn żewġ speċi," qal Schnable. "Irridu nħarsu lejn grupp ta 'speċi li huma tolleranti għall-kesħa u grupp li huma sensittivi, u nħarsu lejn il-mudelli:" Dan l-istess ġene dejjem jirrispondi f'waħda u dejjem ma jirrispondix fl-oħra. "
“Dak jibda jsir esperiment tassew kbir u għali. Ikun tassew sabiħ jekk inkunu nistgħu nagħmlu tbassir mis-sekwenzi tad-DNA ta 'dawk l-ispeċi minflok, ngħidu aħna, nieħdu 20 speċi u nippruvaw inġibuhom kollha fl-istess stadju, inpoġġuhom kollha permezz tal-istess trattamenti ta' stress eżatti, u kejjel l-ammont ta 'RNA prodott għal kull ġene f'kull speċi. "
Fortunatament għall-mudell, ir-riċerkaturi diġà sekwenzaw il-ġenomi ta 'aktar minn 300 speċi ta' pjanta. Sforz internazzjonali kontinwu jista 'jimbotta dak in-numru għoli daqs 10,000 matul il-ftit snin li ġejjin.
Għalkemm il-mudell diġà qabeż bil-kbir l-aspettattivi modesti tiegħu, Schnable qal li l-pass li jmiss xorta se jinvolvi "li nikkonvinċu kemm lilna nfusna kif ukoll lil nies oħra" li jaħdem sew kif kien s'issa. F'kull każ tat-test sal-lum, ir-riċerkaturi talbu lill-mudell biex jgħidilhom dak li diġà jafu. Huwa qal li t-test aħħari jiġi meta kemm il-bnedmin kif ukoll il-magna jibdew mill-bidu.
"L-esperiment kbir li jmiss naħseb li għandna nagħmlu huwa li nagħmlu tbassir fuq speċi fejn m'għandna l-ebda dejta", qal. "Biex tikkonvinċi lin-nies li tassew taħdem f'każijiet fejn anke aħna ma nafux it-tweġibiet."
It-tim irrapporta s-sejbiet tiegħu fil-ġurnal Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang u Schnable kitbu l-istudju ma 'Rebecca Roston ta' Nebraska, Yang Zhang, Samira Mahboub u l-istudent li għadu ma ggradwax Daniel Ngu, flimkien ma 'Xiuru Dai, studjuż viżitatur mill-Università Agrikola ta' Shandong.
Għal aktar informazzjoni:
Università ta 'Nebraska Lincoln
www.unl.edu