Þegar Xiaoxi Meng og Zhikai Liang lögðu hugmyndina fyrst til fyrir nokkrum árum var James Schnable efins. Svo ekki sé meira sagt.
„„ Jæja, þú getur reynt, en ég held að það gangi ekki, “rifjaði dósentinn í búfræði og garðyrkju upp við að hafa sagt við Meng og Liang, þá doktorsnám í rannsóknarstofu Schnable við Háskólann í Nebraska – Lincoln.
Hann hafði rangt fyrir sér og eftir á að hyggja var hann aldrei ánægðari með að vera. En á þeim tíma hafði Schnable sanngjarna ástæðu til að lyfta augabrún. Hugmynd tvíeykisins - að DNA-röð kaltnæmrar ræktunar sem gefast upp við hörðu frosti gæti hjálpað til við að spá fyrir um hvernig villtari og harðgerðari plöntur þola frostskilyrði - virtist dirfskan. Svo ekki sé meira sagt. Samt var þetta áhættulítil og mikil umbun. Vegna þess að ef Meng og Liang gætu fengið það til að virka, gæti það bara flýtt fyrir viðleitni til að gera kaltnæmar ræktanir aðeins eða jafnvel miklu meira eins og kolþolnar starfsbræður þeirra.
Sumar af mikilvægustu uppskerum heimsins voru tamdar í suðrænum svæðum - korn í suðurhluta Mexíkó, sorghum í Austur-Afríku - sem settu engan valkvæðan þrýsting á þá til að þróa varnir gegn kulda eða frystingu. Þegar þessi ræktun er ræktuð í harðara loftslagi takmarkar næmi þeirra fyrir kulda hversu snemma er hægt að gróðursetja og hversu seint það er hægt að uppskera. Styttri vaxtartímabil jafngildir skemmri tíma fyrir ljóstillífun, sem leiðir til minni uppskeru og minni fæðu fyrir jarðarbúa sem búist er við að nálgist 10 milljarða manna árið 2050.
Kalt loftslag
Plöntutegundir sem þegar vaxa í kaldara loftslagi þróuðu á meðan brellur til að þola kulda. Þeir geta endurstillt frumuhimnurnar sínar til að viðhalda lausafjárstöðu við lægra hitastig og komið í veg fyrir að himnurnar frjósi og brotni. Þeir geta bætt strikum af sykri í vökvana í og við þessar himnur og lækkað frostmark þeirra á svipaðan hátt og salt gerir gangstétt. Þeir geta jafnvel framleitt prótein sem kæfa litla ískristalla áður en þessir kristallar vaxa í frumubrotandi massa.
Allar þessar varnir eiga uppruna sinn á erfðafræðilegu stigi, þó ekki bara í röðinni af DNA sjálfu. Þegar plöntur byrja að frjósa geta þær brugðist við með því að slökkva eða kveikja í raun á ákveðnum genum - koma í veg fyrir eða leyfa umritun og framkvæmd erfðafræðilegrar handbókar þeirra. Að vita hvaða gen kaltþolnar plöntur slökkva á og kveikja við frostmark, getur þá hjálpað vísindamönnum að átta sig á undirstöðum virkisins og að lokum búa til svipaðar varnir í kaldanæma ræktun.
En Schnable vissi líka, eins og Meng og Liang, að jafnvel sama gen bregst oft öðruvísi við kulda yfir plöntutegundir, jafnvel náskyldar. Sem þýðir, pirrandi, að skilningur á því hvernig gen bregst við kulda hjá einni tegund hefur tilhneigingu til að segja plöntuvísindamönnum nánast ekkert óyggjandi um hegðun genanna í annarri. Þessi ófyrirsjáanleiki hefur aftur á móti hindrað tilraunir til að læra reglurnar sem segja til um hvað eigi að gera óvirkt eða virkja gen.
"Við erum ennþá mjög, mjög slæm í því að skilja hvers vegna gen slökkva og kveikja," sagði Schnable.
Kornplöntur
Þar sem skortur var á reglubók sneru vísindamenn sér að vélanámi, tegund gervigreindar sem getur í raun skrifað sína eigin. Þeir þróuðu sérstaklega eftirlitsflokkunarlíkan - þá tegund sem getur, þegar þær eru kynntar með nógu merktum myndum af til dæmis köttum og ekki köttum, að lokum að læra að greina þá fyrri frá þeim síðarnefndu. Liðið kynnti upphaflega sitt eigið líkan með gífurlegri hrúgu af raðgreindum genum úr korni ásamt meðalvirkni þeirra gena þegar plöntan var undir frosthita. Líkanið var einnig fóðrað „öllum eiginleikum sem við gætum hugsað okkur“ fyrir hvert korngen, sagði Schnable, þar á meðal lengd þess, stöðugleiki þess og allur munur á því og öðrum útgáfum þess sem fannst í öðrum kornplöntum.
Síðar prófuðu vísindamennirnir líkan sitt með því að fela aðeins einnar upplýsingar úr því í undirhópi þessara gena: hvort þeir svöruðu við upphaf frosthitastigs eða hvort þeir gerðu það ekki. Með því að greina eiginleika gena sem sagt hafði verið að væru annaðhvort móttækilegir eða móttækilegir greindi líkanið hvaða samsetningar þessara eiginleika voru viðeigandi fyrir hvern og einn - og setti síðan með góðum árangri meirihluta þeirra sem eftir voru, dularfullu genin í rétta flokka.
Þetta var efnileg byrjun, eflaust. En raunverulega prófið var eftir: Gæti líkanið tekið þjálfunina sem það hafði fengið í einni tegund og beitt því á aðra?
Svarið var endanlegt já. Eftir að hafa verið þjálfuð í DNA gögnum frá aðeins einni af sex tegundum - korni, sorghum, perluhirsi, proso hirsi, refahala hirsi eða rofagrasi - gat líkanið almennt spáð fyrir um hvaða gen í einhverjum af hinum fimm myndu bregðast við frystingu. Til að koma Schnable á óvart hélt módelið uppi jafnvel þegar það var þjálfað í köldu næmri tegund - korn, sorghum, perlu eða próso hirs - en henni var falið að spá fyrir um genviðbrögð í köldu þolnu refahala hirsi eða rofagrasi.
Gerð
„Líkönin sem við þjálfuðum unnum virkuðu næstum eins vel yfir tegundir eins og ef þú hefðir raunverulega gögn í einni tegund og notaðir innri gögnin til að spá í sömu tegund,“ sagði hann og vottur af undrun sat í rödd sinni mánuðum síðar. „Ég hefði í raun ekki spáð því.“
"Hugmyndin um að við getum bara fóðrað allar þessar upplýsingar í tölvu og hún getur fundið út að minnsta kosti nokkrar reglur til að spá sem virka, er ennþá soldið ótrúleg fyrir mig."
Þessar spár gætu reynst sérstaklega gagnlegar þegar valkosturinn er skoðaður. Í u.þ.b. áratug hafa plöntulíffræðingar í raun getað mælt fjölda RNA sameinda - þær sem bera ábyrgð á umritun og flutningi DNA leiðbeininga - framleiddar af hverju geni í lifandi plöntu. En að bera saman hvernig þessi genatjáning bregst við kulda í lifandi sýnum, og yfir margar tegundir, er vandasamt verkefni, sagði Schnable. Það á sérstaklega við um villtar plöntur sem erfitt getur verið að eignast fræin. Þessi fræ mega ekki spíra þegar þess er vænst, ef yfirleitt, og það getur tekið mörg ár að vaxa. Jafnvel ef þeir gera það, þá verður að rækta hverja plöntu sem myndast í sama, stjórnuðu umhverfi og rannsaka á sama þroskastigi.
Fleiri tegundir
Allt þetta felur í sér mikla áskorun við að rækta nóg af villtum sýnum, úr nógu villtum tegundum, til að endurtaka og meta tölfræðilega viðbrögð gena þeirra við kulda.
„Ef við viljum virkilega komast að því hvaða gen eru mikilvæg - það gegna í raun hlutverki í því hvernig plöntan aðlagast kulda - verðum við að skoða fleiri en tvær tegundir,“ sagði Schnable. „Við viljum skoða hóp tegunda sem þola kulda og hópa sem eru viðkvæmir og skoða mynstur:„ Þetta sama gen bregst alltaf við öðru og svarar alltaf ekki í hinu. “
„Þetta byrjar að verða mjög stór og dýr tilraun. Það væri mjög gott ef við gætum bara spáð úr DNA röð þessara tegunda í stað þess að segja 20 tegundir og reynt að fá þær allar á sama stigi, sett þær allar í nákvæmlega sömu álagsmeðferðir og mæla magn RNA framleitt fyrir hvert gen í hverri tegund. “
Sem betur fer fyrir líkanið hafa vísindamenn þegar raðað erfðamengi meira en 300 plöntutegunda. Áframhaldandi alþjóðlegt átak gæti ýtt þeim fjölda upp í 10,000 á næstu árum.
Þó líkanið hafi þegar farið fram úr hógværum væntingum sínum sagði Schnable að næsta skref muni engu að síður fela í sér að „sannfæra okkur sjálf og annað fólk“ um að það virki eins vel og það hefur gert hingað til. Í hverju prófunarmáli til þessa hafa vísindamennirnir beðið líkanið um að segja þeim það sem þeir vissu þegar. Endanleg próf, sagði hann, mun koma þegar bæði mennirnir og vélin eru að byrja frá grunni.
„Næsta stóra tilraun sem ég held að við þurfum að gera er að spá fyrir um tegund þar sem við höfum engar upplýsingar,“ sagði hann. „Að sannfæra fólk um að það virki í raun í tilfellum þar sem jafnvel við vitum ekki svörin.“
Liðið greindi frá niðurstöðum sínum í tímaritinu Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang og Schnable höfundar rannsóknarinnar með Rebecca Roston, Nebraska, Yang Zhang, Samira Mahboub og Daniel Ngu grunnnámi ásamt Xiuru Dai, gestafræðingi frá Shandong Agricultural University.
Nánari upplýsingar:
Háskólinn í Nebraska Lincoln
www.unl.edu