Quandu Xiaoxi Meng è Zhikai Liang anu prupostu l'idea per un paru d'anni fà, James Schnable era scetticu. Per dì u minimu.
"'Eppuru, pudete pruvà, ma ùn pensu micca chì anderà bè", hà ricurdatu u prufessore assuciatu di agronomia è orticultura à Meng è Liang, allora ricercatori postdoctorali in u laboratoriu di Schnable à l'Università di Nebraska – Lincoln.
S’era sbagliatu è, in retrospettiva, ùn era mai più felice d’esse. Eppuru, à l'epica, Schnable avia ragioni ghjuste per alzà un sopracciglia. L'idea di u duo - chì e sequenze di DNA di i culturi sensibili à u fretu chì si rendenu à un fretu duru puderanu aiutà à prevede cumu e piante più selvagge è più duri tolleranu e cundizioni di cunghjelazione - parianu audaci. Per dì u minimu. Eppuru, era una proposizione à bassu risicu, à alta ricumpensa. Perchè se Meng è Liang puderebbenu mette in opera, puderia solu accelerà i sforzi per fà e culture sensibili à u fretu un pocu o ancu assai più cum'è i so omologhi resistenti à u fretu.
Alcune di e culture più impurtante di u mondu sò state addomesticate in e regioni tropicali - u granu in u sudu di u Messicu, u sorgu in l'Africa orientale - chì ùn li mette micca pressione selettiva per sviluppà e difese da u fretu o da u fretu. Quandu queste culture sò cultivate in climi più duri, a so sensibilità à u fretu limita quantu tempi ponu esse piantati è quantu tardi ponu esse raccolti. Stagioni di crescita più brevi uguale menu tempu per a fotosintesi, risultendu in rendimenti più chjucu è menu alimenti per una populazione glubale chì si prevede di avvicinassi à 10 miliardi di persone da 2050
Climi freddi
Intantu, e spezie vegetali chì crescenu dighjà in climi più freddi, anu sviluppatu trucchi per suppurtà u fretu. Puderanu riconfigurà e so membrane cellulare per mantene a liquidità à temperature più basse, evitendu chì e membrane si congelinu è fratturinu. Puderanu aghjunghje strisci di zuccheru à i liquidi in e intornu à quelle membrane, abbassendu u so puntu di congelazione à pocu pressu di listessa manera chì u sale face un trotuaru. Puderanu ancu pruduce proteine chì soffocanu cristalli di ghiacciu minuscule prima chì quelli cristalli crescenu in masse chì rompenu cellule.
Tutte queste difese sò uriginate à u livellu geneticu, ancu se micca solu in e sequenze di DNA stessu. Quandu e piante cumincianu à cunghjelà, ponu risponde essenzialmente girendu certi geni spenti o accesi - impedendu o permettendu chì i so manuali d'istruzzioni genetichi sianu trascritti è realizati. Sapendu chì geni di piante tolleranti à u fretu si spenghjenu è accendenu di fronte à e temperature chì si gelanu, allora, pò aiutà i circadori à coglie i fundamenti stessi di e so furtificazioni è, à a fine, ingegnere difese simili in culturi sensibili à u fretu.
Ma Schnable sapia ancu, cum'è Meng è Liang, chì ancu un genu identicu risponde spessu di manera sfarente à u fretu trà e spezie vegetali, ancu quelle strettamente parenti. Chì significa, frustrante, chì capisce cumu un genu risponde à u fretu in una spezia tende à dì à i scienziati di e piante guasi nunda di cunvinziunale nantu à u cumpurtamentu di u gene in un'altra. Questa imprevisibilità, à u so tornu, hà ostaculatu i sforzi per amparà e regule chì dicenu ciò chì disattiverà o attiverà i geni.
"Semu ancu veramente, veramente male per capisce perchè i geni si spenghjenu è accendenu", hà dettu Schnable.
Piante di granu
Mancanti un libru di reguli, i circadori si sò rivolti à l'apprendimentu automaticu, una forma di intelligenza artificiale chì pò scrive essenzialmente a soia. Spicificamente anu sviluppatu un mudellu di classificazione cuntrullata - u sorta chì pò, quandu si prisenta cun abbastanza immagini etichettate di, dicemu, gatti è micca-gatti, eventualmente amparà à distingue u primu da u secondu. A squadra hà inizialmente presentatu u so mudellu cù una mansa enorme di geni sequenziati da u granu, cù i livelli di attività media di questi geni quandu a pianta era sottumessa à temperature gelate. U mudellu hè statu ancu alimentatu "ogni caratteristica chì pudemu pensà à" per ogni genu di granu, hà dettu Schnable, cumprese a so lunghezza, a so stabilità è tutte e differenze trà ellu è altre versioni di questu truvate in altre piante di granu.
Più tardi, i circadori anu testatu u so mudellu nascondendu da ellu solu un pezzu d'infurmazione in un sottogruppu di questi geni: sì rispondenu à l'iniziu di temperature gelate, o sì ùn l'anu micca. Analizendu e caratteristiche di i geni era statu dettu chì eranu risposti o micca reattivi, u mudellu hà discernutu chì cumbinazioni di quelle caratteristiche eranu pertinenti per ognunu - è dopu hà trascinatu cù successu a maggior parte di i restanti geni misteriosi in e so categurie currette.
Era un principiu prometitore, senza dubbitu. Ma a vera prova hè stata: u mudellu puderia piglià a furmazione chì avia ricevutu in una spezia è appricà la à un'altra?
A risposta hè stata iè definitiva. Dopu avè statu furmatu cù i dati di l'ADN da una sola di e sei spezie - granu, sorgu, migliu di perle, migliu proso, migliu di coda di volpe o switchgrass - u mudellu era in generale capace di prevede chì geni in qualsiasi di l'altri cinque risponderanu à u fretu. À a surpresa di Schnable, u mudellu sustene ancu quandu hè statu furmatu nantu à una spezia sensibile à u fretu - corn, sorghum, perla o migliu proso - ma incaricatu di prevede e risposte di i geni in u migliu di coda di volpe tollerante à u fretu o switchgrass.
mudeddu
"I mudelli chì avemu furmatu anu travagliatu guasgi bè in tutte e spezie cum'è se avete avutu dati in una specie è aduprate i dati interni per fà e previsioni in quella stessa spezia", hà dettu, un suggerimentu di meraviglia chì persiste in a so voce mesi dopu. "In verità ùn l'avaria previstu".
"L'idea chì pudemu solu alimentà tutte queste informazioni in un computer, è pò capisce almenu alcune regule per fà predizioni chì funzionanu, hè sempre un pocu stupente per mè."
Queste previsioni ponu rivelassi particolarmente utili quandu si considera l'alternativa. Per circa un decenniu, i biologi vegetali sò stati capaci di misurà u numeru di molecule di RNA - quelle chì sò incaricate di trascrivere è trasportà l'istruzzioni di DNA - prodotte da ogni genu in una pianta viva. Ma paragunà cumu quella espressione genica risponde à u fretu in i campioni viventi, è in parechje spezie, hè una impresa minuziosa, hà dettu Schnable. Hè particularmente veru cù e piante salvatiche, chì e so sementi ponu esse difficili ancu da acquistà. Queste sementi ùn ponu micca germinà quandu ci si aspetta, se tuttu, è ponu piglià anni per cresce. Ancu s'elli a facenu, ogni pianta resultante deve esse cultivata in un ambiente identicu è cuntrullatu è studiata à u listessu stadiu di sviluppu.
Più spezie
Tuttu què pone una sfida massiccia à cresce abbastanza esemplari salvatichi, da abbastanza spezie salvatiche, per riplicà è valutà statisticamente e risposte di i so geni à u fretu.
"Se veramente vulemu ghjunghje à quali geni sò impurtanti - chì ghjocanu in realtà un rolu in a manera chì a pianta si adatta à u fretu - avemu bisognu di guardà più di duie spezie", hà dettu Schnable. "Vulemu fighjà un gruppu di spezie chì sò tullerenti à u fretu è un gruppu chì sò sensibili, è guardà i mudelli:" Stu stessu genu risponde sempre in una è ùn risponde micca sempre in l'altru. "
«Què cumencia à diventà un sperimentu veramente grande è caru. Saria veramente bellu se pudessimu fà e previsioni da e sequenze di DNA di quelle spezie invece di, dicemu, piglià 20 spezie è circà di ottene tutte in u listessu stadiu, mette li tutti attraversu esattamente i stessi trattamenti di stress, è misurà a quantità di RNA pruduttu per ogni genu in ogni spezia ".
Fortunatamente per u mudellu, i ricercatori anu dighjà sequenziatu i genomi di più di 300 spezie vegetali. Un sforzu internaziunale in corsu puderia spinghje quellu numeru finu à 10,000 in i prossimi anni.
Ancu se u mudellu hà digià supiramente salvatu e so modeste aspettative, Schnable hà dettu chì u prossimu passu implicherà quantunque "cunvince sia noi stessi sia l'altri populi" chì funziona bè cum'è avà. In ogni casu di prova finu à a data, i circadori anu dumandatu à u mudellu di dì li ciò ch'elli sapianu dighjà. L'ultima prova, hà dettu, venerà quandu l'omi è a macchina partenu da zero.
"U prossimu grande esperimentu, pensu chì ci vole à fà, hè di fà predizioni nantu à una spezia induve ùn avemu micca dati", hà dettu. "Per cunvince a ghjente chì funziona veramente in casi induve ancu noi ùn sapemu micca e risposte."
A squadra hà riferitu e so scuperte in a rivista Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang è Schnable sò autori di u studiu cù Rebecca Roston, Nebraska di Yang Zhang, Samira Mahboub è u studiente universitariu Daniel Ngu, cù Xiuru Dai, un studiente visitante di l'Università Agricola di Shandong.
Pè sapenne di più:
Università di u Nebraska Lincoln
www.unl.edu