Коли Xiaoxi Meng і Zhikai Liang вперше запропонували цю ідею кілька років тому, Джеймс Шнабл був налаштований скептично. М'яко кажучи.
«Ну, ви можете спробувати, але я не думаю, що це спрацює», — пригадав доцент кафедри агрономії та садівництва Менгу та Ляну, які тоді були докторантами в лабораторії Шнабля в Університеті Небраски–Лінкольна.
Він помилявся і, оглядаючись назад, ніколи не був таким щасливим. Однак у той час у Шнабля були підстави підняти брову. Ідея дуету — про те, що послідовності ДНК чутливих до холоду культур, які піддаються сильним морозам, можуть допомогти передбачити, наскільки дикі, витриваліші рослини переносять умови замерзання — здавалася сміливою. М'яко кажучи. Тим не менш, це була пропозиція з низьким ризиком і високою винагородою. Бо якби Мен і Лян змогли змусити це запрацювати, це могло б просто пришвидшити зусилля, щоб зробити чутливі до холоду культури трохи або навіть набагато більше схожими на їхні холодостійкі аналоги.
Деякі з найважливіших у світі культур були одомашнені в тропічних регіонах — кукурудза в південній Мексиці, сорго в східній Африці — які не чинили вибіркового тиску на них, щоб виробити захист від холоду чи замерзання. Коли ці культури вирощують у суворішому кліматі, їх чутливість до холоду обмежує, наскільки рано їх можна висаджувати та як пізно збирати врожай. Коротші вегетаційні періоди відповідають меншому часу для фотосинтезу, що призводить до менших урожаїв і меншої кількості їжі для населення планети, яке, як очікується, досягне 10 мільярдів людей до 2050 року.
Холодний клімат
Види рослин, які вже ростуть у більш холодному кліматі, тим часом розробили хитрощі, щоб витримувати холод. Вони можуть змінювати конфігурацію своїх клітинних мембран, щоб підтримувати рідину за нижчих температур, запобігаючи замерзанню та руйнуванню мембран. Вони можуть додавати трохи цукру в рідини в цих мембранах і навколо них, знижуючи їх точку замерзання приблизно так само, як сіль на тротуарі. Вони навіть можуть виробляти білки, які гасять дрібні кристали льоду, перш ніж ці кристали переростуть у маси, що руйнують клітини.
Усі ці засоби захисту походять на генетичному рівні, але не лише в самій послідовності ДНК. Коли рослини починають замерзати, вони можуть реагувати, по суті, вимикаючи або вмикаючи певні гени — запобігаючи або дозволяючи транскрибувати та виконувати їхні генетичні інструкції. Знання того, які гени холодостійких рослин вимикаються та вмикаються під час морозу, може допомогти дослідникам зрозуміти самі основи їхніх укріплень і, зрештою, створити подібний захист у чутливих до холоду культур.
Але Шнабл також знав, як і Мен і Лян, що навіть ідентичний ген часто по-різному реагує на холод у різних видів рослин, навіть близькоспоріднених. Це, на жаль, означає, що розуміння того, як ген реагує на холод в одного виду, не дає вченим майже нічого переконливого щодо поведінки гена в іншому. Ця непередбачуваність, у свою чергу, заважає спробам вивчити правила, які диктують, що дезактивує або активує гени.
«Ми все ще дуже, дуже погано розуміємо, чому гени вимикаються і вмикаються», — сказав Шнабл.
Кукурудзяні рослини
Не маючи зводу правил, дослідники звернулися до машинного навчання, форми штучного інтелекту, яка, по суті, може писати самостійно. Вони спеціально розробили контрольовану модель класифікації — таку, яка може, якщо представити достатньо позначених зображень, скажімо, котів і не-кішок, зрештою навчитися відрізняти перших від других. Команда спочатку представила власну модель з величезною купою секвенованих генів кукурудзи разом із середніми рівнями активності цих генів, коли рослина була піддана низьким температурам. Шнабл сказав, що модель також враховувала «кожну особливість, яку ми могли придумати» для кожного гена кукурудзи, включаючи його довжину, стабільність і будь-які відмінності між ним та іншими його версіями, знайденими в інших рослинах кукурудзи.
Пізніше дослідники перевірили свою модель, приховавши від неї лише одну інформацію про підмножину цих генів: чи реагували вони на настання морозу, чи ні. Аналізуючи особливості генів, які, як було сказано, були або реагуючими, або нереагуючими, модель визначила, які комбінації цих ознак були релевантними для кожного з них, а потім успішно розподілила більшість решти таємничих генів у правильні категорії.
Це був багатообіцяючий початок, без сумніву. Але справжнє випробування залишилося: чи зможе модель використати навчання, яке вона отримала в одному виді, і застосувати його до іншого?
Відповідь була однозначно так. Після навчання з даними ДНК тільки одного з шести видів — кукурудзи, сорго, перлового проса, просо просо, просо лисохвоста або проса — модель загалом змогла передбачити, які гени будь-якого з п’яти інших реагуватимуть на заморожування. На подив Шнабля, модель витримала навіть тоді, коли її тренували на чутливих до холоду видах — кукурудзі, сорго, перловці або просо-просо — але передбачали реакцію генів у холодостійкого проса лисохвоста або проса.
Model
«Моделі, які ми навчили, працювали майже так само добре для різних видів, як якщо б ви фактично мали дані про один вид і використовували внутрішні дані, щоб робити прогнози для того самого виду», — сказав він, і кілька місяців потому в його голосі зберігалася нотка подиву. «Я б справді цього не передбачив».
«Ідея про те, що ми можемо просто передати всю цю інформацію в комп’ютер, і він зможе визначити принаймні деякі правила, щоб робити прогнози, які працюють, для мене все ще дивовижна».
Ці прогнози можуть виявитися особливо корисними при розгляді альтернативи. Приблизно десять років біологи рослин справді могли виміряти кількість молекул РНК — тих, що відповідають за транскрипцію та транспортування інструкцій ДНК — вироблених кожним геном у живій рослині. Але порівняння того, як ця експресія генів реагує на холод у живих екземплярів і в кількох видів, є кропіткою справою, сказав Шнабл. Особливо це стосується диких рослин, насіння яких важко навіть придбати. Це насіння може не прорости, коли очікується, або взагалі прорости, і можуть знадобитися роки, щоб вирости. Навіть якщо це так, кожна отримана рослина повинна культивуватися в ідентичному, контрольованому середовищі та вивчатися на тій самій стадії розвитку.
Більше видів
Все це створює серйозну проблему для вирощування достатньої кількості диких екземплярів із достатньої кількості диких видів, щоб відтворити та статистично оцінити реакцію їхніх генів на холод.
«Якщо ми дійсно хочемо зрозуміти, які гени є важливими — які насправді відіграють роль у тому, як рослина адаптується до холоду — нам потрібно розглянути більше двох видів», — сказав Шнабл. «Ми хочемо розглянути групу видів, стійких до холоду, і групу чутливих, і поглянути на закономірності: «Цей самий ген завжди реагує на один і завжди не реагує на інший».
«Це починає ставати дійсно великим і дорогим експериментом. Було б дуже чудово, якби ми могли просто робити прогнози на основі послідовностей ДНК цих видів, а не, скажімо, брати 20 видів і намагатися отримати їх усіх на одній стадії, піддавати їх усім тим самим стресовим обробкам, і виміряти кількість РНК, що виробляється для кожного гена кожного виду».
На щастя для моделі, дослідники вже секвенували геноми понад 300 видів рослин. Постійні міжнародні зусилля можуть збільшити це число до 10,000 XNUMX протягом наступних кількох років.
Хоча модель вже значно перевершила його скромні очікування, Шнабл сказав, що наступним кроком буде «переконати як себе, так і інших людей», що вона працює так само добре, як і досі. У кожному тестовому випадку на сьогоднішній день дослідники просили модель розповісти їм те, що вони вже знали. За його словами, остаточне випробування настане, коли і люди, і машини почнуть з нуля.
«Наступним великим експериментом, який, на мою думку, нам потрібно буде зробити прогнози щодо виду, про який у нас немає жодних даних», — сказав він. «Щоб переконати людей, що це справді працює у випадках, коли навіть ми не знаємо відповідей».
Команда повідомила про свої висновки в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences. Мен, Ліанг і Шнабл були авторами дослідження разом із Ребеккою Ростон з Небраски, Ян Чжан, Самірою Махбуб і студентом бакалаврату Даніелем Нгу, а також Сюру Дай, запрошеним науковцем із Шаньдунського сільськогосподарського університету.
Для отримання додаткової інформації:
Університет Небраски Лінкольн
www.unl.edu