เมื่อ Xiaoxi Meng และ Zhikai Liang เสนอแนวคิดครั้งแรกเมื่อสองสามปีก่อน James Schnable ก็ไม่เชื่อ พูดน้อย.
“ 'อืมคุณสามารถลองได้ แต่ฉันไม่คิดว่ามันจะได้ผล' 'รองศาสตราจารย์ด้านพืชไร่และพืชสวนเล่ากับ Meng และ Liang จากนั้นนักวิจัยหลังปริญญาเอกในห้องทดลองของ Schnable ที่มหาวิทยาลัยเนแบรสกา - ลินคอล์น
เขาคิดผิดและเมื่อมองย้อนกลับไปแล้วก็ไม่เคยมีความสุขไปกว่าที่จะเป็น แต่ในเวลานั้น Schnable มีเหตุผลที่ยุติธรรมที่จะเลิกคิ้ว ความคิดของทั้งคู่ - ลำดับดีเอ็นเอของพืชที่ไวต่อความเย็นซึ่งยอมจำนนต่อน้ำค้างแข็งแข็งสามารถช่วยทำนายได้ว่าพืชที่แข็งแรงและแข็งกว่าทนต่อสภาวะเยือกแข็งได้อย่างไร - ดูเหมือนจะกล้าหาญ พูดน้อย. ถึงกระนั้นมันก็เป็นข้อเสนอที่มีความเสี่ยงต่ำและให้ผลตอบแทนสูง เพราะถ้าเมิ่งและเหลียงสามารถทำให้มันใช้งานได้มันอาจเป็นเพียงความพยายามอย่างรวดเร็วในการทำให้พืชที่ไวต่อความเย็นน้อยลงหรือมากขึ้นเช่นเดียวกับพืชที่ทนต่อความหนาวเย็นของพวกเขา
พืชที่สำคัญที่สุดของโลกบางชนิดถูกเพาะปลูกในพื้นที่เขตร้อนเช่นข้าวโพดทางตอนใต้ของเม็กซิโกข้าวฟ่างในแอฟริกาตะวันออกซึ่งไม่ได้สร้างแรงกดดันใด ๆ ให้กับพวกมันในการพัฒนาแนวป้องกันความหนาวเย็นหรือการแช่แข็ง เมื่อพืชเหล่านั้นปลูกในสภาพอากาศที่รุนแรงขึ้นความไวต่อความหนาวเย็นจะ จำกัด ว่าจะปลูกได้เร็วแค่ไหนและเก็บเกี่ยวได้ช้าแค่ไหน ฤดูการเจริญเติบโตที่สั้นลงเท่ากับเวลาในการสังเคราะห์แสงน้อยลงส่งผลให้ผลผลิตน้อยลงและมีอาหารน้อยลงสำหรับประชากรทั่วโลกที่คาดว่าจะเข้าใกล้ 10 พันล้านคนภายในปี 2050
สภาพอากาศหนาวเย็น
พันธุ์พืชที่เติบโตในสภาพอากาศที่หนาวเย็นอยู่แล้วได้พัฒนาเทคนิคในการทนต่อความหนาวเย็น พวกเขาสามารถกำหนดค่าเยื่อหุ้มเซลล์ใหม่เพื่อรักษาสภาพคล่องที่อุณหภูมิต่ำลงเพื่อป้องกันไม่ให้เยื่อหุ้มเซลล์แข็งตัวและแตกหัก พวกเขาสามารถเพิ่มขีดกลางของน้ำตาลลงในของเหลวในและรอบ ๆ เยื่อเหล่านั้นลดจุดเยือกแข็งในลักษณะเดียวกับที่เกลือทำทางเท้า พวกเขายังสามารถผลิตโปรตีนที่ทำให้ผลึกน้ำแข็งขนาดเล็กเรียบขึ้นก่อนที่ผลึกเหล่านั้นจะเติบโตเป็นมวลที่ทำลายเซลล์
การป้องกันทั้งหมดเหล่านี้เกิดขึ้นในระดับพันธุกรรมแม้ว่าจะไม่ได้อยู่ในลำดับของดีเอ็นเอเองก็ตาม เมื่อพืชเริ่มแข็งตัวพวกมันสามารถตอบสนองได้โดยการปิดหรือเปิดยีนบางชนิดเป็นหลัก - ป้องกันหรืออนุญาตให้ถอดและดำเนินการตามคู่มือคำแนะนำทางพันธุกรรม การรู้ว่ายีนใดที่พืชทนความเย็นปิดและเปิดเมื่อเผชิญกับอุณหภูมิเยือกแข็งจะช่วยให้นักวิจัยเข้าใจรากฐานของปราการของพวกเขาและในที่สุดก็สร้างการป้องกันที่คล้ายกันในพืชที่ไวต่อความเย็น
แต่ชไนเบิลก็รู้เช่นเดียวกับเมิ่งและเหลียงว่าแม้แต่ยีนที่เหมือนกันก็มักจะตอบสนองต่อความเย็นของพืชต่างกันแม้กระทั่งยีนที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด ซึ่งหมายความว่าน่าผิดหวังที่การทำความเข้าใจว่ายีนตอบสนองต่อความเย็นในสิ่งมีชีวิตชนิดใดชนิดหนึ่งมีแนวโน้มที่จะบอกนักวิทยาศาสตร์พืชแทบไม่มีข้อสรุปเกี่ยวกับพฤติกรรมของยีนในอีกชนิดหนึ่ง ในทางกลับกันความไม่สามารถคาดเดาได้นั้นได้ขัดขวางความพยายามในการเรียนรู้กฎที่กำหนดสิ่งที่จะปิดใช้งานหรือกระตุ้นยีน
“ เรายังคงไม่เข้าใจจริงๆว่าทำไมยีนถึงปิดและเปิด” Schnable กล่าว
ต้นข้าวโพด
นักวิจัยจึงหันมาใช้การเรียนรู้ของเครื่องซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของปัญญาประดิษฐ์ที่สามารถเขียนหนังสือของตัวเองได้ พวกเขาได้พัฒนารูปแบบการจำแนกประเภทภายใต้การดูแลโดยเฉพาะ - การจัดเรียงที่สามารถนำเสนอเมื่อมีภาพที่มีป้ายกำกับมากพอเช่นพูดว่าแมวและไม่ใช่แมวในที่สุดก็เรียนรู้ที่จะแยกความแตกต่างจากอดีตออกจากรูปแบบหลัง ในขั้นต้นทีมงานได้นำเสนอแบบจำลองของตัวเองด้วยกองยีนเรียงลำดับจำนวนมหาศาลจากข้าวโพดพร้อมกับระดับกิจกรรมเฉลี่ยของยีนเหล่านั้นเมื่อพืชอยู่ภายใต้อุณหภูมิเยือกแข็ง แบบจำลองนี้ยังได้รับการป้อน "คุณลักษณะทุกอย่างที่เราคิดได้" สำหรับยีนข้าวโพดแต่ละยีน Schnable กล่าวรวมถึงความยาวความเสถียรและความแตกต่างระหว่างมันกับเวอร์ชันอื่น ๆ ที่พบในต้นข้าวโพดอื่น ๆ
ต่อมานักวิจัยได้ทดสอบแบบจำลองของพวกเขาโดยปกปิดข้อมูลเพียงชิ้นเดียวในชุดย่อยของยีนเหล่านั้นไม่ว่าพวกเขาจะตอบสนองต่อการเริ่มมีอุณหภูมิเยือกแข็งหรือไม่ก็ตาม จากการวิเคราะห์คุณลักษณะของยีนที่ได้รับการบอกเล่าว่ามีการตอบสนองหรือไม่ตอบสนองโมเดลดังกล่าวได้แยกแยะว่าการรวมกันของคุณลักษณะเหล่านั้นเกี่ยวข้องกับแต่ละส่วนใดและจากนั้นจึงสามารถแบ่งส่วนของยีนลึกลับที่เหลือส่วนใหญ่เป็นหมวดหมู่ที่ถูกต้องได้สำเร็จ
มันเป็นการเริ่มต้นที่ดีอย่างไม่ต้องสงสัย แต่การทดสอบที่แท้จริงยังคงอยู่: แบบจำลองสามารถนำการฝึกอบรมที่ได้รับในสายพันธุ์หนึ่งไปใช้กับอีกสายพันธุ์หนึ่งได้หรือไม่?
คำตอบคือใช่ขั้นสุดท้าย หลังจากได้รับการฝึกฝนด้วยข้อมูลดีเอ็นเอจากหนึ่งในหกสายพันธุ์ ได้แก่ ข้าวโพดข้าวฟ่างข้าวฟ่างมุกลูกเดือยโปรโซลูกเดือยฟ็อกซ์เทลหรือสวิทซ์แกรสโดยทั่วไปแล้วแบบจำลองนี้สามารถทำนายได้ว่ายีนใดในอีก XNUMX ชนิดที่ตอบสนองต่อการแช่แข็ง สำหรับความประหลาดใจของ Schnable แบบจำลองนี้ยังคงอยู่แม้ว่าจะได้รับการฝึกฝนในสายพันธุ์ที่ไวต่อความเย็นเช่นข้าวโพดข้าวฟ่างไข่มุกหรือลูกเดือยโปรโซ แต่ได้รับมอบหมายให้ทำนายการตอบสนองของยีนในลูกเดือยฟ็อกเทลที่ทนต่อความเย็นหรือสวิทช์กราส
รุ่น
“ แบบจำลองที่เราฝึกฝนมานั้นทำงานได้เกือบจะเหมือนกันในทุกสายพันธุ์ราวกับว่าคุณมีข้อมูลในสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งจริงๆและใช้ข้อมูลภายในเพื่อทำการคาดการณ์ในสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกันนั้น” เขากล่าวด้วยเสียงของเขาที่ยังคงอยู่ในเสียงของเขาอย่างน่าประหลาดใจในอีกหลายเดือนต่อมา “ ฉันคาดเดาไม่ได้เลยจริงๆ”
“ ความคิดที่ว่าเราสามารถป้อนข้อมูลทั้งหมดนี้ลงในคอมพิวเตอร์ได้และอย่างน้อยก็สามารถหากฎเกณฑ์บางอย่างเพื่อทำนายว่าได้ผลก็ยังคงเป็นเรื่องที่น่าทึ่งสำหรับฉัน”
การคาดการณ์เหล่านั้นสามารถพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อพิจารณาทางเลือกอื่น เป็นเวลาประมาณทศวรรษที่ผ่านมานักชีววิทยาพืชสามารถวัดจำนวนโมเลกุล RNA ซึ่งเป็นโมเลกุลที่รับผิดชอบในการถ่ายทอดและขนส่งคำสั่งของ DNA ซึ่งผลิตโดยยีนทุกตัวในพืชที่มีชีวิต แต่การเปรียบเทียบว่าการแสดงออกของยีนนั้นตอบสนองต่อความเย็นในตัวอย่างสิ่งมีชีวิตและในหลาย ๆ สายพันธุ์เป็นเรื่องที่ต้องทำอย่างระมัดระวัง Schnable กล่าว โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับพืชป่าซึ่งเมล็ดพันธุ์อาจเป็นเรื่องยากที่จะได้มา เมล็ดเหล่านั้นอาจไม่งอกเมื่อคาดหวังถ้าเป็นอย่างนั้นและอาจต้องใช้เวลาหลายปีกว่าจะเติบโต แม้ว่าจะเป็นเช่นนั้นก็ตามพืชที่ได้ทุกต้นจะต้องได้รับการเพาะปลูกในสภาพแวดล้อมที่เหมือนกันมีการควบคุมและศึกษาในขั้นตอนการพัฒนาเดียวกัน
สายพันธุ์อื่น ๆ
ทั้งหมดนี้เป็นความท้าทายอย่างมากในการปลูกตัวอย่างสัตว์ป่าให้เพียงพอจากสัตว์ป่าชนิดต่างๆที่เพียงพอเพื่อจำลองและประเมินการตอบสนองของยีนของพวกมันต่อความเย็นในทางสถิติ
“ ถ้าเราต้องการทราบว่ายีนมีความสำคัญอย่างไรซึ่งจริงๆแล้วมีบทบาทในการปรับตัวให้เข้ากับความเย็นของพืชเราจำเป็นต้องดูมากกว่าสองชนิด” Schnable กล่าว “ เราต้องการดูกลุ่มของสิ่งมีชีวิตที่ทนต่อความหนาวเย็นและกลุ่มที่อ่อนไหวและดูรูปแบบ:“ ยีนเดียวกันนี้มักจะตอบสนองเป็นหนึ่งเดียวและไม่ตอบสนองในอีกชนิดหนึ่งเสมอ”
“ นั่นเริ่มกลายเป็นการทดลองที่ยิ่งใหญ่และมีราคาแพงมาก คงจะดีมากถ้าเราสามารถคาดคะเนจากลำดับดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตเหล่านั้นแทนที่จะพูดว่ารับ 20 สายพันธุ์และพยายามทำให้พวกมันทั้งหมดอยู่ในขั้นตอนเดียวกันทำให้พวกมันทั้งหมดผ่านการบำบัดความเครียดแบบเดียวกันและ วัดปริมาณ RNA ที่ผลิตสำหรับยีนแต่ละยีนในแต่ละสายพันธุ์”
โชคดีสำหรับแบบจำลองนี้นักวิจัยได้จัดลำดับจีโนมของพืชมากกว่า 300 ชนิดแล้ว ความพยายามระหว่างประเทศอย่างต่อเนื่องสามารถผลักดันให้ตัวเลขนั้นสูงถึง 10,000 ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า
แม้ว่าแบบจำลองจะเกินความคาดหมายเล็กน้อยของเขาไปแล้ว แต่ Schnable กล่าวว่าขั้นตอนต่อไปจะเกี่ยวข้องกับ“ การโน้มน้าวใจทั้งตัวเราและผู้อื่น” ว่ามันใช้งานได้ดีเหมือนที่เคยมีมา ในทุกกรณีการทดสอบจนถึงปัจจุบันนักวิจัยได้ขอให้แบบจำลองบอกสิ่งที่พวกเขารู้อยู่แล้ว เขากล่าวว่าการทดสอบขั้นสูงสุดจะเกิดขึ้นเมื่อทั้งมนุษย์และเครื่องจักรเริ่มต้นจากศูนย์
“ การทดลองใหญ่ครั้งต่อไปที่ฉันคิดว่าเราต้องทำคือการคาดคะเนสิ่งมีชีวิตที่เราไม่มีข้อมูลเลย” เขากล่าว “ เพื่อโน้มน้าวผู้คนว่าได้ผลจริงในกรณีที่เราไม่รู้คำตอบ”
ทีมรายงานผลการวิจัยในวารสาร Proceedings of the National Academy of Sciences Meng, Liang และ Schnable เป็นผู้เขียนการศึกษาร่วมกับ Rebecca Roston, Yang Zhang, Samira Mahboub และนักศึกษาระดับปริญญาตรี Daniel Ngu พร้อมด้วย Xiuru Dai นักวิชาการจากมหาวิทยาลัยเกษตรซานตง
สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม:
มหาวิทยาลัยเนแบรสกาลินคอล์น
www.unl.edu