Осыдан екі жыл бұрын Сяокси Мэн мен Чжикай Лян алғаш рет идеяны ұсынған кезде Джеймс Шнейбл күмәнмен қарады. Аз десеңіз.
«Жақсы, сіз тырысып көре аласыз, бірақ менің ойымша, бұл жұмыс істемейді», - деп еске алды агрономия және бау-бақша кафедрасының доценті Менг пен Лянға, сол кезде Ннебраска-Линкольн университетіндегі Шнабль зертханасында постдокторлық зерттеушілерге айтқан сөздерін.
Ол қателескен, әрі қараған кезде, одан ешқашан бақытты емес. Сол кезде Шнабльде қас қағуға негіз болды. Дуэттің идеясы - қатты аязға бағынатын суыққа сезімтал дақылдардың ДНҚ тізбегі жабайы, қаттырақ өсімдіктердің аязды жағдайларға қалай төзетінін болжауға көмектесе алады - деген ой батыл көрінді. Аз десеңіз. Бұл әлі де тәуекел деңгейі төмен, сыйақысы жоғары ұсыныс болды. Егер Мэн мен Лян оны жұмыс істей алса, суыққа сезімтал дақылдарды олардың суыққа төзімді әріптестеріне сәл немесе тіпті одан да көп жасау үшін жылдам күш салу мүмкін.
Әлемнің кейбір маңызды дақылдары тропикалық аймақтарда - Мексиканың оңтүстігінде жүгеріде, Африканың шығысындағы құмайларда - суықтан немесе аяздан қорғанысты дамыту үшін таңдамалы қысым жасамаған, қолға үйретілді. Бұл дақылдарды қатал климат жағдайында өсіргенде, олардың суыққа деген сезімталдығы оларды ерте отырғызуға және кеш жинауға болады. Өсіп келе жатқан мезгілдердің қысқа болуы фотосинтезге аз уақытты алады, нәтижесінде 10 жылға қарай 2050 миллиард адамға жақындау керек деп болжанған халық үшін аз өнім және азық-түлік аз болады.
Суық климат
Сонымен қатар, салқын климатта өсетін өсімдік түрлері суыққа төзімділік үшін айла-тәсілдерді дамытты. Олар төмен температурада өтімділікті сақтау үшін жасушалық мембраналарды қайта конфигурациялай алады, мембраналардың қатып қалуына және сынуына жол бермейді. Олар сол қабықшалардағы және айналасындағы сұйықтықтарға қант сызықшаларын қосып, олардың қату температурасын тұз жаяу жүргінші жолымен бірдей төмендете алады. Олар тіпті бұл кристалдар жасуша бұзатын массаға айналғанға дейін минускулалық мұз кристалдарын тегістейтін ақуыздарды шығара алады.
Бұл қорғаныстың барлығы генетикалық деңгейде, бірақ тек ДНҚ-ның өзінен емес. Өсімдіктер мұздай бастаған кезде, олар белгілі бір гендерді өшіру немесе қосу арқылы жауап бере алады - олардың генетикалық нұсқаулығының транскрипциясы мен орындалуына жол бермейді немесе мүмкіндік береді. Суыққа төзімді өсімдіктердің қандай гендер өшіп, аязды температура кезінде сөнетінін білу, зерттеушілерге олардың бекіністерінің негіздерін түсінуге және сайып келгенде, осындай қорғаныс құралдарын суыққа сезімтал дақылдарға айналдыруға көмектеседі.
Сонымен қатар, Шнабль, Менг пен Лян сияқты, геннің де өсімдік түрлеріне, тіпті жақын туыстарына да суыққа әр түрлі жауап беретіндігін білген. Бұл дегеніміз, бір түрдегі геннің суыққа қалай жауап беретінін түсіну өсімдік ғалымдарына геннің басқа түрдегі мінез-құлқы туралы нақты ештеңе айтпауға ұмтылатындығын білдіреді. Бұл күтпеген жағдай, өз кезегінде, гендерді өшіретін немесе белсендіретін нәрселерді көрсететін ережелерді білуге күш салды.
«Біз гендердің неліктен өшетінін және өшетінін түсінуге әлі де өте нашармыз», - деді Шнейбл.
Жүгері өсімдіктері
Ережелер кітабының жоқтығынан зерттеушілер машиналық оқытуға, негізінен өзін өзі жаза алатын жасанды интеллект түріне бет бұрды. Олар арнайы бақыланатын классификация моделін жасады - мысалы, мысық пен мысық емес мысалдардың жеткілікті таңбаланған суреттерін ұсынған кезде, біріншісін екіншісінен ажыратуды үйренеді. Бастапқыда топ өсімдікке аязды температураға ұшыраған кезде гендердің орташа белсенділік деңгейімен бірге жүгеріден алынған дәйекті гендердің үлкен үйіндісін ұсынды. Сондай-ақ, модель әр жүгері гені үшін «біз ойлаған барлық ерекшеліктермен» тамақтандырылды, деп айтты Шнейбл, оның ұзындығын, тұрақтылығын және оның басқа жүгері өсімдіктеріндегі басқа нұсқаларымен арасындағы айырмашылықтарды қоса.
Кейінірек зерттеушілер өз модельдерін осы гендердің бір бөлігіндегі бір ақпаратты жасыру арқылы сынап көрді: олар аяздың басталуына жауап берді ме, жоқ па - жоқ па. Гендердің жауап беретін немесе жауап бермейтін ерекшеліктерін талдай отырып, модель осы белгілердің қандай комбинацияларының әрқайсысына сәйкес келетіндігін анықтады - содан кейін қалған құпия гендердің көпшілігін олардың дұрыс санаттарына бөлді.
Бұл сөзсіз, болашағы зор бастама болды. Бірақ нақты сынақ қалды: модель бір түр бойынша алған жаттығуын екінші түрге қолдана ала ма?
Жауап нақты болды. Алты түрдің біреуінен - жүгері, құмай, інжу тары, просо тары, түлкі құйрығы тары немесе коммутатордан алынған ДНҚ мәліметтерімен оқудан өткеннен кейін модель, әдетте, қалған бес түрдің қайсысының гендерінің қатуына жауап беретінін болжай алды. Шнабль таңқалдырды, бұл модель суыққа сезімтал түрлерге - жүгеріге, құмайға, інжу-маржанға немесе прозо тарыға үйретілген кезде де сақталды, бірақ суыққа төзімді түлкі тұқымында немесе коммутграда гендердің реакциясын болжау міндеті тұрды.
моделі
«Біз үйреткен модельдер түрлерде де жұмыс істеді, егер сізде бір түрдегі деректер болса және ішкі деректер сол түрге болжам жасау үшін қолданылса», - деді ол, бірнеше айдан кейін оның дауысында таң қалдырған таңқаларлық белгі. «Мен бұл туралы алдын ала айтпас едім».
«Біз осы ақпараттың барлығын компьютерге жібере аламыз және болжам жасау үшін кем дегенде кейбір ережелерді анықтай аламыз деген ой мен үшін әлі де таңқаларлық».
Бұл болжамдар баламаны қарастырған кезде әсіресе пайдалы болуы мүмкін. Шамамен он жыл ішінде өсімдік биологтары тірі өсімдіктегі барлық гендер шығаратын ДНҚ нұсқауларын транскрипциялау мен тасымалдауға жауапты РНҚ молекулаларының санын өлшей алды. Бұл ген экспрессиясының тірі үлгілердегі және көптеген түрлердегі суыққа қалай жауап беретінін салыстыру өте қиын жұмыс, дейді Шнабль. Бұл әсіресе жабайы өсімдіктерге қатысты, олардың тұқымын алу қиынға соғады. Бұл тұқымдар күтілген кезде өнбеуі мүмкін, тіпті егер олар өсіп кетсе, бірнеше жылға созылуы мүмкін. Егер олар осылай жасаса да, нәтижесінде пайда болатын барлық өсімдіктер бірдей, бақыланатын ортада өсіріліп, сол даму сатысында зерттелуі керек.
Басқа түрлер
Мұның бәрі гендердің суыққа реакциясын қайталау және статистикалық бағалау үшін жеткілікті жабайы түрлерден жеткілікті жабайы үлгілерді өсіру үшін үлкен қиындықтар тудырады.
«Егер біз шынымен де қандай гендердің маңызды екеніне көз жеткізгіміз келсе - бұл өсімдіктердің суыққа қалай бейімделуінде маңызды рөл атқаратын болса, онда біз екіден көп түрді қарастыруымыз керек», - деді Шнабль. «Біз суыққа төзімді және сезімтал топты, сондай-ақ заңдылықтарды қарастырғымыз келеді:« Дәл осы ген әрқашан біреуінде жауап береді, ал екіншісінде әрқашан жауап бермейді ».
«Бұл өте үлкен және қымбат экспериментке айнала бастайды. Егер біз осы түрлердің ДНҚ тізбектерінен болжау жасай алсақ, мысалы, 20 түрді алып, олардың барлығын бір сатыда алуға тырысып, бәрін бірдей стресс-терапия арқылы өткізсек, өте жақсы болар еді. әр түрдегі әр ген үшін өндірілген РНҚ мөлшерін өлшеу ».
Модель үшін бақытымызға орай, зерттеушілер 300-ден астам өсімдік түрлерінің геномдарын ретке келтіріп үлгерді. Жүргізіліп жатқан халықаралық күш бұл санды алдағы бірнеше жылда 10,000-ға дейін жеткізуі мүмкін.
Модель өзінің қарапайым үміттерінен әлдеқайда асып түскенімен, Шнейбл келесі қадамға «өзімізді де, басқа адамдарды да» жұмыс істейтіндігіне және осы уақытқа дейін жұмыс істейтініне сендіруді қажет ететіндігін айтты. Бүгінгі күнге дейінгі кез-келген сынақ жағдайында зерттеушілер модельден бұрын білгендерін айтып беруін сұрады. Соңғы сынақ, оның айтуынша, адамдар да, машина да нөлден бастаған кезде келеді.
«Келесі үлкен тәжірибе жасау керек деп ойлаймын, бізде ешқандай деректер жоқ түрге болжам жасау керек», - деді ол. «Біз адамдарға оның жауабын білмейтін жағдайларда жұмыс істейтініне сендіру».
Команда өзінің нәтижелері туралы Ұлттық ғылым академиясының Proceedings журналында хабарлады. Менг, Лян және Шнабл Небрасканың Ребекка Ростонымен, Ян Чжанмен, Самира Махбубпен және магистрант Даниэль Нгумен, және Шандун аграрлық университетінің қонақ ғалымы Сиуру Даймен бірге зерттеу жазды.
Қосымша ақпарат алу үшін:
Небраскадағы Линкольн университеті
www.unl.edu