Da Xiaoxi Meng og Zhikai Liang først foreslog ideen for et par år siden, var James Schnable skeptisk. Mildest talt.
”” Nå, du kan prøve, men jeg tror ikke, det kommer til at fungere, ”” mindes lektor i agronomi og havebrug om at have sagt til Meng og Liang, derpå postdoktorale forskere i Schnables laboratorium ved University of Nebraska – Lincoln.
Han tog fejl og var i bakspejlet aldrig lykkeligere at være. Men på det tidspunkt havde Schnable rimelig grund til at løfte et øjenbryn. Duoens idé - at DNA-sekvenserne af koldsensitive afgrøder, der overgiver sig til hård frost, kan hjælpe med at forudsige, hvordan vildere, hårdere planter tåler fryseforhold - syntes dristige. Mildest talt. Alligevel var det et forslag med lav risiko og høj belønning. For hvis Meng og Liang kunne få det til at fungere, kan det måske bare fremskynde bestræbelserne på at gøre koldsensitive afgrøder lidt eller endda meget mere som deres kolde-resistente kolleger.
Nogle af verdens vigtigste afgrøder blev tæmmet i tropiske områder - majs i det sydlige Mexico, sorghum i det østlige Afrika - der ikke lægger noget selektivt pres på dem for at udvikle forsvar mod kulde eller frysning. Når disse afgrøder dyrkes i hårdere klimaer, begrænser deres følsomhed over for kulde, hvor tidligt de kan plantes, og hvor sent de kan høstes. Kortere vækstsæsoner har mindre tid til fotosyntese, hvilket resulterer i mindre udbytter og mindre mad til en global befolkning, der forventes at nærme sig 10 milliarder mennesker inden 2050.
Koldt klima
Plantearter, der allerede vokser i koldere klima, udviklede i mellemtiden tricks til at udholde kulden. De kan omkonfigurere deres cellulære membraner for at opretholde likviditet ved lavere temperaturer, hvilket forhindrer membranerne i at fryse og briste. De kan tilføje streger med sukker til væskerne i og omkring disse membraner, hvilket sænker deres frysepunkt på samme måde som salt gør et fortov. De kan endda producere proteiner, der kvæler små iskrystaller, før disse krystaller vokser til cellebrydende masser.
Alle disse forsvar stammer fra det genetiske niveau, dog ikke kun i selve DNA-sekvenserne. Når planter begynder at fryse, kan de reagere ved i det væsentlige at slå visse gener fra eller til - forhindre eller lade deres genetiske instruktionsmanualer blive transskriberet og udført. At vide, hvilke gener koldtolerante planter slukker og tænder over for frysende temperaturer, kan derefter hjælpe forskere med at forstå selve grundlaget for deres befæstninger og i sidste ende konstruere lignende forsvar til koldsensitive afgrøder.
Men Schnable vidste også, som Meng og Liang gjorde, at selv et identisk gen ofte reagerer forskelligt på kulde på tværs af plantearter, endda nært beslægtede. Hvilket frustrerende betyder, at forståelsen af, hvordan et gen reagerer på kulde hos en art, har tendens til at fortælle planteforskere næsten intet afgørende om genets adfærd i en anden. Denne uforudsigelighed har til gengæld forhindret bestræbelserne på at lære reglerne, der dikterer, hvad der vil deaktivere eller aktivere gener.
"Vi er stadig virkelig, virkelig dårlige til at forstå, hvorfor gener slukkes og tænder," sagde Schnable.
Majsplanter
Mangler en regelbog vendte forskerne sig mod maskinlæring, en form for kunstig intelligens, der i det væsentlige kan skrive sin egen. De udviklede specifikt en overvåget klassificeringsmodel - den slags, der, når de præsenteres med nok mærkede billeder af f.eks. Katte og ikke-katte, til sidst lærer at skelne førstnævnte fra sidstnævnte. Holdet præsenterede oprindeligt sin egen model med en enorm bunke af sekventerede gener fra majs sammen med de gennemsnitlige aktivitetsniveauer for disse gener, når planten blev udsat for frysetemperaturer. Modellen blev også fodret med "enhver funktion, vi kunne tænke på" for hvert majsgen, sagde Schnable, herunder dets længde, dets stabilitet og eventuelle forskelle mellem den og andre versioner af den, der findes i andre majsplanter.
Senere testede forskerne deres model ved kun at skjule et stykke information i en delmængde af disse gener: om de reagerede på begyndelsen af frysende temperaturer, eller om de ikke gjorde det. Ved at analysere funktionerne i gener, som det var blevet fortalt, at de enten var responsive eller ikke-responsive, skønnede modellen, hvilke kombinationer af disse funktioner der var relevante for hver - og derefter med succes sat størstedelen af de resterende mystery-box-gener i deres korrekte kategorier.
Det var uden tvivl en lovende start. Men den virkelige test forblev: Kunne modellen tage den træning, den havde modtaget i en art og anvende den på en anden?
Svaret var et definitivt ja. Efter at have været trænet med DNA-data fra kun en af seks arter - majs, sorghum, perlehirse, proso hirse, foxtail hirse eller switchgrass - var modellen generelt i stand til at forudsige hvilke gener i nogen af de andre fem, der ville reagere på frysning. Til Schnables overraskelse holdt modellen op, selv når den blev trænet på en koldsensitiv art - majs, sorghum, perle eller proso hirse - men fik til opgave at forudsige genresponser i den koldtolerante rævehal hirse eller switchgræs.
Model
”De modeller, vi trænede, arbejdede næsten lige så godt på tværs af arter, som om du faktisk havde data i en art og brugte de interne data til at komme med forudsigelser for den samme art,” sagde han, og et strejf af undring dvælede i sin stemme måneder senere. "Det ville jeg virkelig ikke have forudsagt."
"Tanken om, at vi bare kan føde alle disse oplysninger til en computer, og det kan i det mindste finde ud af nogle regler for at komme med forudsigelser, der fungerer, er stadig lidt forbløffende for mig."
Disse forudsigelser kan vise sig særligt nyttige, når man overvejer alternativet. I cirka et årti har plantebiologer faktisk været i stand til at måle antallet af RNA-molekyler - dem, der er ansvarlige for transskription og transport af DNA-instruktioner - produceret af hvert gen i en levende plante. Men at sammenligne, hvordan dette genekspression reagerer på kulde i levende prøver og på tværs af flere arter, er en omhyggelig opgave, sagde Schnable. Det er især tilfældet med vilde planter, hvis frø kan være vanskelige at selv erhverve. Disse frø kan ikke spire, når det forventes, hvis det overhovedet, og det kan tage år at vokse. Selvom de gør det, skal hver resulterende plante dyrkes i et identisk, kontrolleret miljø og undersøges på samme udviklingsstadium.
Flere arter
Alt dette udgør en massiv udfordring for at dyrke nok vilde prøver fra nok vilde arter til at replikere og statistisk evaluere deres generes reaktioner på kulde.
"Hvis vi virkelig ønsker at finde ud af, hvilke gener der er vigtige - der faktisk spiller en rolle i, hvordan planten tilpasser sig kulde - skal vi se på mere end to arter," sagde Schnable. "Vi vil se på en gruppe arter, der er tolerante over for kulde, og en gruppe, der er følsomme, og se på mønstrene:" Det samme gen reagerer altid i det ene og svarer altid ikke i det andet. "
”Det begynder at blive et rigtig stort og dyrt eksperiment. Det ville være rigtig godt, hvis vi bare kunne forudsige DNA-sekvenserne for disse arter i stedet for for eksempel at tage 20 arter og forsøge at få dem alle på samme trin, sætte dem alle gennem nøjagtig samme stressbehandlinger, og måle mængden af RNA produceret for hvert gen i hver art. ”
Heldigvis for modellen har forskere allerede sekventeret genomerne på mere end 300 plantearter. En løbende international indsats kan skubbe antallet så højt som 10,000 i løbet af de næste par år.
Selvom modellen allerede har overskredet hans beskedne forventninger, sagde Schnable, at det næste trin ikke desto mindre vil omfatte "at overbevise os selv og andre mennesker" om, at det fungerer lige så godt, som det hidtil har gjort. I hvert testtilfælde til dato har forskerne bedt modellen om at fortælle dem, hvad de allerede vidste. Den ultimative test, sagde han, vil komme, når både mennesker og maskinen starter fra bunden.
”Det næste store eksperiment, jeg tror, vi er nødt til at gøre, er at forudsige en art, hvor vi slet ikke har nogen data,” sagde han. "At overbevise folk om, at det virkelig fungerer i tilfælde, hvor selv vi ikke kender svarene."
Holdet rapporterede sine resultater i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang og Schnable forfatter undersøgelsen med Nebraskas Rebecca Roston, Yang Zhang, Samira Mahboub og studerende Daniel Ngu sammen med Xiuru Dai, en gæsteforsker fra Shandong Agricultural University.
For mere information:
University of Nebraska Lincoln
www.unl.edu