Apabila Xiaoxi Meng dan Zhikai Liang mula-mula mencadangkan idea itu beberapa tahun lalu, James Schnable berasa ragu-ragu. Nak kata sikit.
"'Nah, anda boleh mencuba, tetapi saya tidak fikir ia akan berjaya,'" profesor bersekutu agronomi dan hortikultur itu teringat berkata kepada Meng dan Liang, penyelidik pasca doktoral di makmal Schnable di Universiti Nebraska–Lincoln.
Dia silap dan, apabila difikirkan, tidak pernah lebih gembira untuk menjadi. Namun pada masa itu, Schnable mempunyai alasan yang adil untuk mengangkat kening. Idea kedua-dua mereka - bahawa urutan DNA tanaman sensitif sejuk yang menyerah kepada fros keras boleh membantu meramalkan bagaimana tumbuhan yang lebih liar dan lebih keras bertolak ansur dengan keadaan beku - kelihatan berani. Nak kata sikit. Namun, ia adalah cadangan berisiko rendah, ganjaran tinggi. Kerana jika Meng dan Liang boleh membuatnya berfungsi, ia mungkin hanya mempercepatkan usaha untuk membuat tanaman sensitif sejuk sedikit atau lebih banyak lagi seperti rakan sejawat tahan sejuk mereka.
Beberapa tanaman terpenting di dunia telah dijinakkan di kawasan tropika - jagung di selatan Mexico, sorghum di timur Afrika - yang tidak memberi tekanan terpilih kepada mereka untuk mengembangkan pertahanan terhadap sejuk atau beku. Apabila tanaman tersebut ditanam dalam iklim yang lebih keras, kepekaan mereka terhadap sejuk mengehadkan berapa awal mereka boleh ditanam dan berapa lewat mereka boleh dituai. Musim pertumbuhan yang lebih pendek sama dengan lebih sedikit masa untuk fotosintesis, menghasilkan hasil yang lebih kecil dan kurang makanan untuk populasi global yang dijangka mendekati 10 bilion orang menjelang 2050.
Iklim sejuk
Spesies tumbuhan yang sudah tumbuh di iklim yang lebih sejuk, sementara itu, mengembangkan helah untuk menahan sejuk. Mereka boleh mengkonfigurasi semula membran selular mereka untuk mengekalkan kecairan pada suhu yang lebih rendah, menghalang membran daripada membeku dan patah. Mereka boleh menambah sedikit gula pada cecair di dalam dan di sekeliling membran tersebut, menurunkan takat bekunya dengan cara yang sama seperti garam di kaki lima. Mereka juga boleh menghasilkan protein yang menyekat kristal ais yang sangat kecil sebelum kristal tersebut tumbuh menjadi jisim penghancur sel.
Semua pertahanan itu berasal dari peringkat genetik, walaupun bukan hanya dalam urutan DNA itu sendiri. Apabila tumbuhan mula membeku, mereka boleh bertindak balas dengan pada dasarnya mematikan atau menghidupkan gen tertentu - menghalang atau membenarkan manual arahan genetik mereka ditranskripsi dan dijalankan. Mengetahui gen tumbuhan yang tahan sejuk dimatikan dan dihidupkan dalam menghadapi suhu beku, maka, boleh membantu penyelidik memahami asas benteng mereka dan, akhirnya, merekayasa pertahanan yang serupa menjadi tanaman sensitif sejuk.
Tetapi Schnable juga tahu, seperti yang dilakukan oleh Meng dan Liang, walaupun gen yang sama sering bertindak balas secara berbeza terhadap sejuk merentas spesies tumbuhan, malah yang berkait rapat. Yang bermaksud, secara mengecewakan, pemahaman tentang cara gen bertindak balas terhadap sejuk dalam satu spesies cenderung memberitahu saintis tumbuhan hampir tidak ada yang konklusif tentang tingkah laku gen dalam yang lain. Ketidakpastian itu, seterusnya, telah menghalang usaha untuk mempelajari peraturan yang menentukan perkara yang akan menyahaktifkan atau mengaktifkan gen.
"Kami masih sangat teruk memahami mengapa gen dimatikan dan dihidupkan," kata Schnable.
Tumbuhan jagung
Tidak mempunyai buku peraturan, para penyelidik beralih kepada pembelajaran mesin, satu bentuk kecerdasan buatan yang pada asasnya boleh menulis sendiri. Mereka secara khusus membangunkan model klasifikasi yang diselia — jenis yang boleh, apabila dibentangkan dengan imej berlabel yang mencukupi, katakan, kucing dan bukan kucing, akhirnya belajar membezakan yang pertama daripada yang terakhir. Pasukan itu pada mulanya membentangkan modelnya sendiri dengan longgokan besar gen berjujukan daripada jagung, bersama-sama dengan tahap aktiviti purata gen tersebut apabila tumbuhan itu mengalami suhu beku. Model itu juga diberi makan "setiap ciri yang boleh kita fikirkan" untuk setiap gen jagung, kata Schnable, termasuk panjangnya, kestabilannya dan sebarang perbezaan antaranya dan versi lain yang terdapat dalam tumbuhan jagung lain.
Kemudian, para penyelidik menguji model mereka dengan menyembunyikan daripadanya hanya satu maklumat dalam subset gen tersebut: sama ada mereka bertindak balas terhadap permulaan suhu beku, atau sama ada mereka tidak. Dengan menganalisis ciri-ciri gen yang telah diberitahu sama ada responsif atau tidak responsif, model itu melihat gabungan ciri tersebut yang berkaitan dengan setiap satu - dan kemudian berjaya memasukkan sebahagian besar gen kotak misteri yang selebihnya ke dalam kategori yang betul.
Ia adalah permulaan yang menjanjikan, tidak syak lagi. Tetapi ujian sebenar kekal: Bolehkah model mengambil latihan yang telah diterima dalam satu spesies dan menerapkannya kepada yang lain?
Jawapannya ialah ya yang pasti. Selepas dilatih dengan data DNA daripada hanya satu daripada enam spesies - jagung, sekoi, sekoi mutiara, sekoi proso, sekoi ekor rubah atau rumput suis - model itu secara amnya dapat meramalkan gen mana dalam mana-mana lima yang lain akan bertindak balas terhadap pembekuan. Mengejutkan Schnable, model itu bertahan walaupun ia dilatih mengenai spesies sensitif sejuk - jagung, sorghum, mutiara atau biji proso - tetapi ditugaskan untuk meramalkan tindak balas gen dalam millet foxtail toleran sejuk atau rumput suis.
model
"Model yang kami latih berfungsi hampir sama merentas spesies seolah-olah anda sebenarnya mempunyai data dalam satu spesies dan menggunakan data dalaman untuk membuat ramalan dalam spesies yang sama," katanya, sedikit keajaiban berlarutan dalam suaranya beberapa bulan kemudian. "Saya benar-benar tidak akan meramalkan itu."
"Idea bahawa kita hanya boleh memasukkan semua maklumat ini ke dalam komputer, dan ia boleh mengetahui sekurang-kurangnya beberapa peraturan untuk membuat ramalan yang berkesan, masih agak menakjubkan kepada saya."
Ramalan tersebut boleh terbukti sangat berguna apabila mempertimbangkan alternatif. Selama kira-kira sedekad, ahli biologi tumbuhan sebenarnya telah dapat mengukur bilangan molekul RNA - yang bertanggungjawab untuk menyalin dan mengangkut arahan DNA - yang dihasilkan oleh setiap gen dalam tumbuhan hidup. Tetapi membandingkan bagaimana ekspresi gen itu bertindak balas terhadap sejuk dalam spesimen hidup, dan merentasi pelbagai spesies, adalah usaha yang teliti, kata Schnable. Itu benar terutamanya dengan tumbuhan liar, yang benihnya sukar diperoleh. Benih tersebut mungkin tidak bercambah apabila dijangka, jika ada, dan boleh mengambil masa bertahun-tahun untuk berkembang. Walaupun begitu, setiap tumbuhan yang terhasil perlu ditanam dalam persekitaran yang sama, terkawal dan dikaji pada peringkat perkembangan yang sama.
Lebih banyak spesies
Semua itu menimbulkan cabaran besar untuk menanam spesimen liar yang mencukupi, daripada spesies liar yang mencukupi, untuk meniru dan menilai secara statistik tindak balas gen mereka terhadap sejuk.
"Jika kita benar-benar ingin mengetahui gen apa yang penting - yang sebenarnya memainkan peranan dalam bagaimana tumbuhan menyesuaikan diri dengan sejuk - kita perlu melihat lebih daripada dua spesies, " kata Schnable. "Kami ingin melihat sekumpulan spesies yang bertolak ansur dengan sejuk dan kumpulan yang sensitif, dan melihat coraknya: "Gen yang sama ini sentiasa bertindak balas dalam satu dan sentiasa tidak bertindak balas dalam yang lain."
"Itu mula menjadi percubaan yang sangat besar dan mahal. Alangkah baiknya jika kita hanya boleh membuat ramalan daripada urutan DNA spesies tersebut dan bukannya, katakan, mengambil 20 spesies dan cuba mendapatkan kesemuanya pada peringkat yang sama, meletakkan mereka semua melalui rawatan tekanan yang sama, dan mengukur jumlah RNA yang dihasilkan untuk setiap gen dalam setiap spesies."
Nasib baik untuk model itu, penyelidik telah menyusun genom lebih daripada 300 spesies tumbuhan. Usaha antarabangsa yang berterusan boleh mendorong jumlah itu setinggi 10,000 dalam beberapa tahun akan datang.
Walaupun model itu telah melampaui jangkaan sederhananya, Schnable berkata langkah seterusnya akan melibatkan "meyakinkan diri kita sendiri dan orang lain" bahawa ia berfungsi dengan baik setakat ini. Dalam setiap kes ujian setakat ini, para penyelidik telah meminta model untuk memberitahu mereka apa yang telah mereka ketahui. Ujian muktamad, katanya, akan datang apabila kedua-dua manusia dan mesin bermula dari awal.
"Percubaan besar seterusnya yang saya fikir perlu kita lakukan ialah membuat ramalan mengenai spesies yang kita tidak mempunyai sebarang data sama sekali," katanya. "Untuk meyakinkan orang ramai bahawa ia benar-benar berfungsi dalam kes di mana walaupun kita tidak tahu jawapannya."
Pasukan itu melaporkan penemuannya dalam jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang dan Schnable mengarang kajian itu dengan Rebecca Roston dari Nebraska, Yang Zhang, Samira Mahboub dan pelajar sarjana Daniel Ngu, bersama Xiuru Dai, seorang sarjana pelawat dari Universiti Pertanian Shandong.
Untuk maklumat lanjut:
Universiti Nebraska Lincoln
www.unl.edu