Când Xiaoxi Meng și Zhikai Liang au propus prima dată ideea acum câțiva ani, James Schnable era sceptic. Cel putin.
„Ei bine, puteți încerca, dar nu cred că va funcționa”, a amintit profesorul asociat de agronomie și horticultură spunându-i lui Meng și Liang, apoi cercetători postdoctorali în laboratorul Schnable de la Universitatea din Nebraska-Lincoln.
A greșit și, în retrospectivă, nu a fost niciodată mai fericit să fie. Cu toate acestea, la acea vreme, Schnable avea motive întemeiate să ridice o sprânceană. Ideea duo-ului - că secvențele ADN ale culturilor sensibile la frig, care se predă unui îngheț puternic, ar putea ajuta la prezicerea modului în care plantele mai sălbatice și mai dure tolerează condițiile de îngheț - părea îndrăzneață. Cel putin. Totuși, a fost o propunere cu risc scăzut și cu recompensă ridicată. Pentru că, dacă Meng și Liang ar putea să funcționeze, ar putea accelera rapid eforturile de a face culturile sensibile la frig un pic sau chiar mult mai mult ca omologii lor rezistenți la frig.
Unele dintre cele mai importante culturi ale lumii au fost domesticite în regiunile tropicale - porumbul în sudul Mexicului, sorgul în estul Africii - care nu le-au pus presiune selectivă pentru a evolua apărarea împotriva frigului sau a înghețului. Când aceste culturi sunt cultivate în condiții climatice mai dure, sensibilitatea lor la frig limitează cât de devreme pot fi plantate și cât de târziu pot fi recoltate. Anotimpurile de creștere mai scurte sunt egale cu mai puțin timp pentru fotosinteză, rezultând producții mai mici și mai puține alimente pentru o populație globală care se așteaptă să se apropie de 10 miliarde de oameni până în 2050.
Clime reci
Între timp, speciile de plante care cresc deja în climă mai rece, au evoluat trucuri pentru a suporta frigul. Aceștia își pot reconfigura membranele celulare pentru a menține lichiditatea la temperaturi mai scăzute, prevenind înghețarea și fracturarea membranelor. Pot adăuga stropi de zahăr la lichidele din și în jurul acelor membrane, scăzând punctul lor de îngheț în același mod în care sarea face un trotuar. Pot produce chiar și proteine care înăbușă cristale de gheață minuscule înainte ca aceste cristale să crească în mase care sparg celule.
Toate aceste apărări își au originea la nivel genetic, deși nu doar în secvențele ADN-ului în sine. Când plantele încep să înghețe, ele pot răspunde prin oprirea sau pornirea anumitor gene - prevenind sau permițând ca manualele lor de instrucțiuni genetice să fie transcrise și efectuate. Știind care gene care tolerează frigul se opresc și se aprind în fața temperaturilor înghețate, atunci poate ajuta cercetătorii să înțeleagă bazele fortificațiilor lor și, în cele din urmă, să proiecteze apărări similare în culturi sensibile la frig.
Însă Schnable știa, de asemenea, ca Meng și Liang, că chiar și o genă identică răspunde adesea diferit la frig între speciile de plante, chiar și pe cele strâns legate. Ceea ce înseamnă, frustrant, că înțelegerea modului în care o genă răspunde la frig la o specie tinde să le spună oamenilor de știință plante aproape nimic concludent despre comportamentul genei în altă specie. Această imprevizibilitate, la rândul său, a împiedicat eforturile de a învăța regulile care dictează ceea ce va dezactiva sau activa genele.
„Suntem încă foarte răi înțelegând de ce se opresc și pornesc genele”, a spus Schnable.
Plantele de porumb
Lipsind un manual de reguli, cercetătorii s-au orientat spre învățarea automată, o formă de inteligență artificială care, în esență, își poate scrie propria. Ei au dezvoltat în mod specific un model de clasificare supravegheat - tipul care poate, atunci când este prezentat cu suficiente imagini etichetate, să zicem, pisici și nu pisici, să învețe în cele din urmă să distingă primele de cele din urmă. Echipa a prezentat inițial propriul model cu o grămadă enormă de gene secvențiate din porumb, împreună cu nivelurile medii de activitate ale acelor gene atunci când planta a fost supusă la temperaturi de îngheț. Modelul a fost hrănit, de asemenea, cu „fiecare caracteristică la care ne-am putea gândi” pentru fiecare genă de porumb, a spus Schnable, inclusiv lungimea, stabilitatea și diferențele dintre acesta și alte versiuni ale acestuia găsite în alte plante de porumb.
Mai târziu, cercetătorii și-au testat modelul ascunzând din acesta doar o singură informație într-un subset al acestor gene: dacă au răspuns la apariția temperaturilor înghețate sau dacă nu. Analizând caracteristicile genelor despre care s-a spus că sunt fie responsive, fie non-responsive, modelul a discernut care combinații ale acelor caracteristici erau relevante pentru fiecare - și apoi a încorporat cu succes majoritatea genelor rămase din cutii misterioase în categoriile lor corecte.
A fost un început promițător, fără îndoială. Dar adevăratul test a rămas: Ar putea modelul să ia pregătirea pe care o primise la o specie și să o aplice alteia?
Răspunsul a fost un da definitiv. După ce a fost instruit cu date ADN de la doar una din cele șase specii - porumb, sorg, mei de perle, mei proso, mei de coadă de vulpe sau switchgrass - modelul a fost în general capabil să prezică care gene din oricare dintre celelalte cinci ar răspunde la îngheț. Spre surprinderea lui Schnable, modelul a rezistat chiar și atunci când a fost antrenat pe o specie sensibilă la frig - porumb, sorg, perlă sau mei proso - dar însărcinat cu prezicerea răspunsurilor genetice în meiul sau coada de vulpe tolerant la frig.
Model
„Modelele pe care le-am antrenat au funcționat aproape la fel de bine între specii ca și cum ai avea de fapt date într-o specie și am folosit datele interne pentru a face predicții în aceeași specie”, a spus el, un indiciu de mirare persistând în vocea sa luni mai târziu. „Chiar nu aș fi prezis asta”.
„Ideea că putem alimenta toate aceste informații într-un computer și că poate da seama măcar de câteva reguli pentru a face predicții care funcționează, este încă uimitoare pentru mine.”
Aceste predicții s-ar putea dovedi deosebit de utile atunci când se analizează alternativa. Timp de aproximativ un deceniu, biologii plantelor au reușit să măsoare numărul moleculelor de ARN - cele responsabile de transcrierea și transportul instrucțiunilor ADN - produse de fiecare genă dintr-o plantă vie. Dar compararea modului în care această expresie genetică răspunde la frig la specimenele vii și la mai multe specii este o întreprindere minuțioasă, a spus Schnable. Acest lucru este valabil mai ales în cazul plantelor sălbatice, ale căror semințe pot fi chiar greu de dobândit. Este posibil ca aceste semințe să nu germineze când este de așteptat, dacă este cazul, și pot dura ani de zile pentru a crește. Chiar dacă o fac, fiecare plantă rezultată trebuie cultivată într-un mediu identic, controlat și studiată în același stadiu de dezvoltare.
Mai multe specii
Toate acestea reprezintă o provocare masivă pentru creșterea suficientă a exemplarelor sălbatice, din suficiente specii sălbatice, pentru a reproduce și a evalua statistic răspunsurile genelor lor la frig.
"Dacă vrem cu adevărat să ajungem la ce gene sunt importante - care joacă de fapt un rol în modul în care planta se adaptează la frig - trebuie să ne uităm la mai mult de două specii", a spus Schnable. Vrem sa ne uitam la un grup de specii care sunt tolerante la frig si un grup care sunt sensibile, si sa ne uitam la tiparele: "Aceeasi gena raspunde intotdeauna intr-una si intotdeauna nu raspunde in cealalta."
„Acesta începe să devină un experiment foarte mare și costisitor. Ar fi foarte frumos dacă am putea face doar predicții din secvențele de ADN ale acelor specii în loc, să zicem, să luăm 20 de specii și să încercăm să le obținem pe toate în același stadiu, să le punem pe toate prin aceleași tratamente de stres și măsurați cantitatea de ARN produs pentru fiecare genă din fiecare specie. ”
Din fericire pentru model, cercetătorii au secvențiat deja genomul a peste 300 de specii de plante. Un efort internațional continuu ar putea crește acest număr până la 10,000 în următorii câțiva ani.
Deși modelul și-a depășit în mod sălbatic așteptările modeste, Schnable a spus că următorul pas va presupune totuși „să ne convingem atât pe noi înșine, cât și pe ceilalți oameni” că funcționează la fel de bine ca până acum. În fiecare caz de testare până în prezent, cercetătorii au cerut modelului să le spună ce știau deja. Testul suprem, a spus el, va veni atunci când atât oamenii, cât și mașina vor începe de la zero.
„Următorul mare experiment, cred că trebuie să facem, este să facem predicții asupra unei specii în care nu avem deloc date”, a spus el. „Pentru a convinge oamenii că funcționează cu adevărat în cazurile în care nici noi nu știm răspunsurile.”
Echipa și-a raportat concluziile în revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang și Schnable au scris autorul studiului alături de Rebecca Roston din Nebraska, Yang Zhang, Samira Mahboub și studentul de licență Daniel Ngu, împreună cu Xiuru Dai, un om de știință vizitat de la Universitatea Agricolă din Shandong.
Pentru mai multe informații:
Universitatea din Nebraska Lincoln
www.unl.edu