Wéi de Xiaoxi Meng an den Zhikai Liang d'Iddi viru puer Joer virgeschloen hunn, war den James Schnable skeptesch. Fir d'mannst ze soen.
"'Gutt, Dir kënnt probéieren, awer ech denken net datt et funktionnéiert'," huet den Associésprofessor fir Agronomie a Gaardebau erënnert un de Meng a Liang ze soen, duerno postdoctoral Fuerscher am Schnable sengem Labo op der Universitéit Nebraska – Lincoln.
Hie war falsch an, am Réckbléck, ni méi glécklech ze sinn. Awer zu där Zäit hat de Schnable fairen Ursaach eng Augenbrau ze hiewen. D'Iddi vum Duo - datt d'DNA-Sequenze vu kalempfindleche Kulturen, déi sech op en haarde Frascht ofginn, kéinte viraussoe wéi méi wëll, méi haart Planzen d'Gefrierschutz toleréieren - schéngt frech. Fir d'mannst ze soen. Trotzdem war et eng niddereg Risiko, héich Belounung. Well wa Meng a Liang et kéinte schaffen, kéint et just séier Efforte maachen, fir kalempfindlech Kulturen e bësse oder souguer vill méi wéi hir kalresistent Kollegen ze maachen.
E puer vun de wichtegste Kulturen op der Welt goufen an tropesche Regiounen domestizéiert - Mais am Süde vu Mexiko, Sorghum an Osteuropa - déi kee selektive Drock op si gemaach hunn, fir Verdeedegung géint Keelt oder Gefruer z'entwéckelen. Wann dës Kulturen a méi haarde Klima ugebaut ginn, limitéiert hir Empfindlechkeet op Keelt wéi fréi se geplanzt kënne ginn a wéi spéit se recoltéiert kënne ginn. Méi kuerz wuesse Saisone gläich manner Zäit fir Fotosynthese, wouduerch méi kleng Rendementer a manner Fudder fir eng weltwäit Bevëlkerung erwaart ginn, 10 Milliarde Leit bis 2050 unzegoen.
Keelt Klima
Planzenaarten, déi schonn a méi kal Klima wuessen, hunn an der Tëschenzäit Tricks entwéckelt fir d'Keelt ze erdroen. Si kënnen hir Zellmembranen nei konfiguréieren fir Liquiditéit bei méi niddregen Temperaturen ze halen, verhënnert datt d'Membranen fréieren a briechen. Si kënne Strich Zucker an d'Flëssegkeeten an a ronderëm dës Membranen bäifügen, sou datt hire Gefréierpunkt op déiselwecht Manéier erofgeet wéi Salz en Trottoir mécht. Si kënne souguer Proteine produzéieren déi minuscule Äiskristaller schmieren ier déi Kristaller zu Zellbustende Masse wuessen.
All dës Verteidegung staamt um geneteschen Niveau, awer net nëmmen an de Sequenzen vun der DNA selwer. Wann Planzen ufänken ze fréieren, kënne se äntweren andeems se gewësse Genen aus- oder ausschalten - verhënneren oder erlaben hir genetesch Instruktiounshandbicher ze transkribéieren an auszeféieren. Wësse wéi eng Genen kal-tolerant Planzen ausschalten a viru fréieren Temperaturen, da kënnen d'Fuerscher hëllefen déi ganz Fundamenter vun hire Befestegungen ze begräifen an, schlussendlech, ähnlech Verteidegung a kalempfindlech Kulturen z'ingenieuréieren.
Awer de Schnable wousst och, wéi Meng a Liang, datt och en identesche Gen dacks anescht wéi kal iwwer Planzewelt reagéiert, och enk matenee verbonnen. Wat, frustréierend, heescht datt d'Verstoe wéi e Gen op enger Aart op d'Keelt reagéiert tendéiert d'Planzewëssenschaftler bal näischt schlussendlech iwwer d'Verhalen vum Gen an enger anerer. Dës Onberechenbarkeet, am Géigendeel, huet d'Efforte behënnert fir d'Regelen ze léieren, déi diktéieren wat Genen deaktivéieren oder aktivéieren.
"Mir sinn ëmmer nach wierklech wierklech schlecht fir ze verstoen firwat Genen aus- a weider ginn," sot de Schnable.
Maisplanzen
Mangel un e Regelbuch, hunn d'Fuerscher sech op Maschinn léieren, eng Form vu kënschtlecher Intelligenz, déi am Fong hir eege schreiwe kann. Si hunn speziell en iwwerwaachte Klassifikatiounsmodell entwéckelt - déi Zort, déi, wa se genuch genannte Biller vun zum Beispill Kazen an net-Kaze presentéieren, eventuell léiere kënnen déi fréier vun der Lescht z'ënnerscheeden. D'Team huet am Ufank säin eegene Modell mat engem enorme Koup vu sequenéierte Genen aus Mais presentéiert, zesumme mat den duerchschnëttleche Aktivitéitsniveauen vun dëse Genen wann d'Planz zu Gefréierpunktstemperaturen ausgesat war. De Modell gouf och "all Feature, un déi mir denken" fir all Mais-Gen gefiddert, sot de Schnable, och seng Längt, seng Stabilitéit an all Ënnerscheeder tëscht him an aner Versiounen dovun, déi an anere Maisplanzen fonnt goufen.
Méi spéit hunn d'Fuerscher hire Modell gepréift andeems se nëmmen ee Stéck Informatioun an engem Ënnergrupp vun dëse Genen verstoppt hunn: ob se op den Ufank vu Gefriertemperaturen reagéiert hunn, oder ob se net. Duerch d'Features vun de Genen ze analyséieren, déi et gesot gouf, waren entweder reaktiounsfäeg oder net-reaktiounsfäeg, huet de Modell erkannt wéi eng Kombinatioune vun dëse Feature fir all relevant waren - an duerno d'Majoritéit vun de verbleiwen, Mystery-Box Genen an hir korrekt Kategorien gesat.
Et war e verspriechende Start, ouni Zweiwel. Awer de richtegen Test blouf: Konnt de Modell d'Ausbildung huelen, déi se an enger Spezies kritt hat an op eng aner uwenden?
D'Äntwert war en definitiven Jo. Nodeems se mat DNA Daten aus nëmmen enger vu sechs Spezies trainéiert goufen - Mais, Zorghum, Pärel Hirse, Proso Hirse, Fuussschwanz Hirse oder Schaltergrass - war de Modell allgemeng fäeg ze viraussoen wéi eng Genen an enger vun den anere fënnef op de Gefrier reagéieren. Fir dem Schnable seng Iwwerraschung huet de Modell sech gehal, och wa se op enger kalempfindlecher Spezies trainéiert gouf - Mais, Zorghum, Pärel oder Proso Hirse - awer huet d'Aufgab Gene Äntwerte virzegesinn an der kal-toleranter Fuchsschwanz Hirse oder Schaltgrass.
Modell
"D'Modeller, déi mir trainéiert hunn, funktionnéiere bal sou gutt iwwer Spezies wéi wann Dir tatsächlech Daten an enger Spezies hätt an déi intern Date benotzt fir d'Prognosen an därselwechter Spezies ze maachen", sot hien, en Hauch vu Wonner, dat a senger Stëmm Méint méi spéit bleiwt. "Ech hätt dat wierklech net virausgesot."
"D'Iddi datt mir all dës Informatioun einfach an e Computer fidderen, an et kann op d'mannst e puer Regele erausfannen fir Prognosen ze maachen déi funktionnéieren, ass ëmmer nach eppes erstaunlech fir mech."
Dës Prognosen kéinte besonnesch nëtzlech sinn wann Dir d'Alternativ berécksiichtegt. Zënter ongeféier engem Joerzéngt konnten d'Planzebiologen tatsächlech d'Zuel vu RNA Molekülen moossen - déi verantwortlech fir d'Transkriptioun an d'Transport vun DNA Instruktiounen - produzéiert vun all Gen an enger lieweger Planz. Awer ze vergläichen wéi dee Genexpression op Keelt an liewegen Exemplare reagéiert, an iwwer verschidde Spezies, ass eng ustrengend Entreprise, sot de Schnable. Dat ass besonnesch wouer mat wilde Planzen, deenen hir Som ka schwéier sinn och ze kréien. Dës Somen kënnen net germinéieren wann erwaart, wann iwwerhaapt, a kënnen Joeren daueren fir ze wuessen. Och wa se et maachen, muss all resultéierend Planz an engem identeschen, kontrolléierten Ëmfeld kultivéiert ginn an an der selwechter Entwécklungsphase studéiert ginn.
Méi Arten
All dat stellt eng massiv Erausfuerderung fir genuch wëll Exemplairen ze wuessen, vu genuch wëll Arten, fir hir Äntwerten op d'Keelen ze replizéieren a statistesch ze evaluéieren.
"Wa mir wierklech wëlle kommen op wéi eng Genen wichteg sinn - dat spille wierklech eng Roll wéi d'Planz sech un d'Keelt upasst - musse mir op méi wéi zwou Aarte kucken", sot de Schnable. "Mir wëllen eng Grupp vun Aarte kucken, déi tolerant si fir Keelt an eng Grupp, déi sensibel sinn, a kucken d'Musteren:" Deeselwechte Gen reagéiert ëmmer an engem an äntwert ëmmer net bei deem aneren. "
“Dat fänkt un e wierklech grousst an deiert Experiment ze ginn. Et wier wierklech schéin wa mir just Prognosen aus den DNA-Sequenze vun deenen Aarte kéinte maachen amplaz, soen, 20 Arten huelen a probéieren se all an der selwechter Etapp ze kréien, se all duerch déi genau déiselwecht Stressbehandlungen ze maachen, an moosst de Betrag u RNA produzéiert fir all Gen an all Spezies. “
Glécklech fir de Modell hunn d'Fuerscher d'Genome vu méi wéi 300 Planzearten sequenéiert. Eng lafend international Ustrengung kéint déi Zuel sou héich wéi 10,000 an den nächste Joeren drécken.
Och wann de Modell scho seng bescheiden Erwaardunge wëll iwwerschratt huet, sot de Schnable datt de nächste Schrëtt trotzdeem bezitt "eis selwer an aner Leit ze iwwerzeegen" datt et sou gutt funktionnéiert wéi bis elo. An all Testfall bis haut hunn d'Fuerscher de Modell gefrot fir hinnen ze soen wat se scho woussten. Den ultimativen Test, hie sot, wäert kommen wann béid Mënschen an d'Maschinn vu vir ufänken.
"Dat nächst grousst Experiment, wat ech mengen, mir musse maachen ass Prognosen iwwer eng Spezies ze maachen, wou mir guer keng Daten hunn," sot hien. "Fir d'Leit ze iwwerzeegen datt et wierklech funktionnéiert a Fäll wou och mir d'Äntwerten net wëssen."
D'Team bericht seng Erkenntnisser an der Zäitschrëft Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang a Schnable hunn d'Studie mam Nebraska Rebecca Roston, Yang Zhang, Samira Mahboub an dem Bachelorstudent Daniel Ngu, zesumme mam Xiuru Dai, engem Besuchsstudent vun der Shandong Agricultural University, geschriwwen.
Fir méi Informatiounen:
Universitéit Nebraska Lincoln
www.unl.edu