När Xiaoxi Meng och Zhikai Liang föreslog idén första gången för ett par år sedan var James Schnable skeptisk. Minst sagt.
"'Jo, du kan försöka, men jag tror inte att det kommer att fungera' ', påminde docenten i agronomi och trädgårdsodling för Meng och Liang, då postdoktorala forskare i Schnables laboratorium vid University of Nebraska – Lincoln.
Han hade fel och i efterhand var han aldrig lyckligare. Men då hade Schnable en rimlig anledning att höja ett ögonbryn. Duons idé-att DNA-sekvenserna av kallkänsliga grödor som överlämnar till hård frost kan hjälpa till att förutsäga hur vildare, hårdare växter tolererar frysförhållanden-verkade djärv. Minst sagt. Ändå var det ett förslag med låg risk och hög belöning. För om Meng och Liang kunde få det att fungera, kan det bara snabba upp ansträngningarna att göra kallkänsliga grödor lite eller till och med mycket mer som sina kalltåliga motsvarigheter.
Några av världens viktigaste grödor tämdes i tropiska regioner - majs i södra Mexiko, sorghum i östra Afrika - som inte satte någon selektiv press på dem för att utveckla försvar mot kyla eller frysning. När dessa grödor odlas i hårdare klimat begränsar deras känslighet för kyla hur tidigt de kan planteras och hur sent de kan skördas. Kortare växtsäsonger motsvarar mindre tid för fotosyntes, vilket resulterar i mindre avkastning och mindre mat för en global befolkning som förväntas närma sig 10 miljarder människor år 2050.
Kallt klimat
Växtarter som redan växer i kallare klimat utvecklade under tiden knep för att klara kylan. De kan omkonfigurera sina cellmembran för att bibehålla likviditet vid lägre temperaturer, vilket förhindrar att membranen fryser och bryts. De kan tillsätta streck socker till vätskorna i och runt dessa membran, sänka deras fryspunkt på ungefär samma sätt som salt gör en trottoar. De kan till och med producera proteiner som kväver små iskristaller innan dessa kristaller växer till cellnedbrytande massor.
Alla dessa försvar har sitt ursprung på den genetiska nivån, men inte bara i sekvenserna av själva DNA. När växter börjar frysa kan de svara genom att i huvudsak slå av eller på vissa gener - förhindra eller låta deras genetiska instruktionsböcker transkriberas och utföras. Att veta vilka gener kalltoleranta växter stängs av och på inför minusgrader kan då hjälpa forskare att förstå själva grunden för deras befästningar och i slutändan konstruera liknande försvar till kallkänsliga grödor.
Men Schnable visste också, som Meng och Liang gjorde, att även en identisk gen ofta reagerar annorlunda mot kyla över växtarter, även närbesläktade. Vilket frustrerande betyder att förstå hur en gen reagerar på kyla i en art tenderar att berätta för växtforskare nästan ingenting som är avgörande för genens beteende hos en annan. Denna oförutsägbarhet har i sin tur hindrat ansträngningarna att lära sig reglerna som dikterar vad som kommer att inaktivera eller aktivera gener.
"Vi är fortfarande riktigt, riktigt dåliga på att förstå varför gener stängs av och på", säger Schnable.
Majsväxter
I avsaknad av en regelbok vände sig forskarna till maskininlärning, en form av artificiell intelligens som i huvudsak kan skriva sin egen. De utvecklade specifikt en övervakad klassificeringsmodell-den sort som kan, när den presenteras med tillräckligt märkta bilder av, till exempel katter och inte-katter, så småningom lär sig skilja den förra från den senare. Teamet presenterade initialt sin egen modell med en enorm hög med sekvenserade gener från majs, tillsammans med de genomsnittliga aktivitetsnivåerna för dessa gener när växten utsattes för frysningstemperaturer. Modellen matades också "varje funktion vi kunde tänka oss" för varje majsgen, sade Schnable, inklusive dess längd, dess stabilitet och eventuella skillnader mellan den och andra versioner av den som finns i andra majsväxter.
Senare testade forskarna sin modell genom att dölja bara en bit information från den i en delmängd av dessa gener: om de svarade på frysningstemperaturernas början eller om de inte gjorde det. Genom att analysera egenskaperna hos gener som det hade fått höra var antingen responsiva eller icke-responsiva, såg modellen vilka kombinationer av dessa funktioner som var relevanta för var och en-och lyckades sedan dela in majoriteten av de återstående, mystery-box-generna i sina rätta kategorier.
Det var en lovande start, utan tvekan. Men det verkliga testet kvarstod: Kan modellen ta den utbildning den fått i en art och tillämpa den på en annan?
Svaret var ett definitivt ja. Efter att ha tränats med DNA -data från bara en av sex arter - majs, sorghum, pärlhirs, proso hirs, rävsvans hirs eller switchgrass - kunde modellen i allmänhet förutsäga vilka gener i någon av de andra fem som skulle svara på frysning. Till Schnables förvåning höll modellen uppe även när den tränades på en kallkänslig art-majs, sorghum, pärla eller proso hirs-men hade till uppgift att förutsäga gensvar i den kalltoleranta rävsvanshirsen eller växelgräset.
Modell
"Modellerna som vi utbildade fungerade nästan lika bra för olika arter som om du faktiskt hade data från en art och använde de interna uppgifterna för att göra förutsägelserna för samma art", sa han, en antydan till undran kvar i rösten månader senare. "Jag hade verkligen inte förutspått det."
"Tanken att vi bara kan mata all denna information till en dator, och det kan ta reda på åtminstone några regler för att göra förutsägelser som fungerar, är fortfarande fantastiskt för mig."
Dessa förutsägelser kan vara särskilt användbara när man överväger alternativet. I ungefär ett decennium har växtbiologer faktiskt kunnat mäta antalet RNA -molekyler - de som ansvarar för transkribering och transport av DNA -instruktioner - som produceras av varje gen i en levande växt. Men att jämföra hur det genuttrycket svarar på kyla i levande exemplar och över flera arter är ett noggrant åtagande, sa Schnable. Det gäller särskilt med vilda växter, vars frön kan vara svåra att tillägna sig. Dessa frön kommer kanske inte att gro när de förväntas, om det alls är, och kan ta år att växa. Även om de gör det måste varje resulterande växt odlas i en identisk, kontrollerad miljö och studeras i samma utvecklingsstadium.
Fler arter
Allt detta utgör en massiv utmaning för att odla tillräckligt med vilda exemplar, från tillräckligt många vilda arter, för att replikera och statistiskt utvärdera deras gener svar på kyla.
"Om vi verkligen vill ta reda på vilka gener som är viktiga - som faktiskt spelar en roll för hur växten anpassar sig till kyla - måste vi titta på mer än två arter," sa Schnable. "Vi vill titta på en grupp arter som är toleranta mot kyla och en grupp som är känsliga och titta på mönstren:" Samma gen svarar alltid i den ena och svarar alltid inte i den andra. "
”Det börjar bli ett riktigt stort och dyrt experiment. Det skulle vara riktigt trevligt om vi bara kunde göra förutsägelser från DNA -sekvenserna för dessa arter istället för att säga, ta 20 arter och försöka få dem alla i samma skede, genomföra dem genom exakt samma stressbehandlingar, och mäta mängden RNA som produceras för varje gen i varje art. ”
Lyckligtvis för modellen har forskare redan sekvenserat genomerna för mer än 300 växtarter. En pågående internationell insats kan skjuta upp det antalet så högt som 10,000 XNUMX under de närmaste åren.
Även om modellen redan har överskridit hans blygsamma förväntningar, sa Schnable att nästa steg ändå kommer att innebära att "övertyga både oss själva och andra människor" om att det fungerar lika bra som hittills. I varje testfall hittills har forskarna bett modellen att berätta vad de redan visste. Det ultimata testet, sa han, kommer när både människorna och maskinen börjar från början.
"Nästa stora experiment som jag tror att vi behöver göra är att göra förutsägelser om en art där vi inte har någon data alls", sa han. "För att övertyga människor om att det verkligen fungerar i fall där även vi inte vet svaren."
Teamet rapporterade sina fynd i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang och Schnable författade studien med Nebraskas Rebecca Roston, Yang Zhang, Samira Mahboub och doktoranden Daniel Ngu, tillsammans med Xiuru Dai, en besökande forskare från Shandong Agricultural University.
För mer information:
University of Nebraska Lincoln
www.unl.edu