عندما اقترح كل من Xiaoxi Meng و Zhikai Liang الفكرة لأول مرة منذ عامين ، كان جيمس شنابل متشككًا. على أقل تقدير.
"حسنًا ، يمكنك المحاولة ، لكنني لا أعتقد أنها ستنجح" ، هذا ما قاله الأستاذ المشارك في الهندسة الزراعية والبستنة لمنغ و ليانغ ، ثم باحثين ما بعد الدكتوراه في مختبر Schnable في جامعة نبراسكا لينكولن.
لقد كان مخطئًا ، وبعد فوات الأوان ، لم يكن أبدًا أسعد من ذلك. ومع ذلك ، في ذلك الوقت ، كان لدى Schnable سبب وجيه لرفع حاجبه. فكرة الثنائي - أن تسلسل الحمض النووي للمحاصيل الحساسة للبرودة التي تستسلم للصقيع القاسي يمكن أن تساعد في التنبؤ بمدى تحمل النباتات الأكثر وحشية لظروف التجميد - بدت جريئة. على أقل تقدير. ومع ذلك ، فقد كان عرضًا منخفض المخاطر وعالي المكاسب. لأنه إذا تمكن منج وليانج من تشغيله ، فقد يكون مجرد جهود المسار السريع لجعل المحاصيل الحساسة للبرودة تشبه إلى حد ما نظيراتها المقاومة للبرد.
تم تدجين بعض أهم المحاصيل في العالم في المناطق الاستوائية - الذرة في جنوب المكسيك ، والذرة الرفيعة في شرق إفريقيا - التي لم تفرض عليها أي ضغط انتقائي لتطوير دفاعات ضد البرد أو التجمد. عندما تزرع هذه المحاصيل في مناخات أقسى ، فإن حساسيتها تجاه البرودة تحد من وقت زراعتها في وقت مبكر ومتأخر حصادها. مواسم النمو الأقصر تساوي وقتًا أقل لعملية التمثيل الضوئي ، مما يؤدي إلى غلات أقل وغذاء أقل لسكان العالم المتوقع أن يقتربوا من 10 مليار شخص بحلول عام 2050.
المناخات الباردة
في غضون ذلك ، طورت الأنواع النباتية التي تنمو بالفعل في المناخات الباردة حيلًا لتحمل البرد. يمكنهم إعادة تكوين أغشيتهم الخلوية للحفاظ على السيولة في درجات حرارة منخفضة ، ومنع الأغشية من التجمد والكسر. يمكنهم إضافة شرطات من السكريات إلى السوائل داخل وحول تلك الأغشية ، مما يقلل من درجة تجمدها بنفس الطريقة التي يعمل بها الملح على الرصيف. يمكنهم حتى إنتاج البروتينات التي تخنق بلورات الجليد الضئيلة قبل أن تنمو تلك البلورات إلى كتل تكسر الخلايا.
كل هذه الدفاعات تنشأ على المستوى الجيني ، ولكن ليس فقط في تسلسل الحمض النووي نفسه. عندما تبدأ النباتات في التجمد ، يمكنها الاستجابة بشكل أساسي عن طريق إيقاف تشغيل جينات معينة أو تشغيلها - منع أو السماح بنسخ أدلة التعليمات الجينية وتنفيذها. يمكن أن تساعد معرفة الجينات التي تتحملها النباتات المقاومة للبرودة في إيقاف تشغيلها في مواجهة درجات الحرارة المتجمدة ، الباحثين على فهم أسس تحصيناتهم ، وفي نهاية المطاف ، هندسة دفاعات مماثلة في المحاصيل الحساسة للبرودة.
لكن Schnable كان يعلم أيضًا ، كما فعل مينج وليانج ، أنه حتى الجين المتطابق غالبًا ما يستجيب بشكل مختلف للبرد عبر الأنواع النباتية ، حتى الأنواع ذات الصلة الوثيقة. مما يعني ، بشكل محبط ، أن فهم كيفية استجابة الجين للبرد في أحد الأنواع يميل إلى إخبار علماء النبات بعدم وجود شيء حاسم تقريبًا بشأن سلوك الجين في نوع آخر. عدم القدرة على التنبؤ ، بدوره ، أعاق الجهود لتعلم القواعد التي تملي ما الذي سيعطل الجينات أو ينشطها.
قال شنابل: "ما زلنا سيئين حقًا في فهم سبب توقف الجينات وتشغيلها".
نباتات الذرة
في ظل عدم وجود كتاب للقواعد ، لجأ الباحثون إلى التعلم الآلي ، وهو شكل من أشكال الذكاء الاصطناعي يمكنه بشكل أساسي كتابة ما يخصه. لقد طوروا على وجه التحديد نموذج تصنيف خاضع للإشراف - وهو النوع الذي يمكنه ، عند تقديمه بما يكفي من الصور المصنفة ، على سبيل المثال ، قطط وليس قطط ، أن يتعلم في النهاية التمييز بين الأول والثاني. قدم الفريق في البداية نموذجًا خاصًا به مع كومة هائلة من الجينات المتسلسلة من الذرة ، إلى جانب متوسط مستويات نشاط تلك الجينات عندما تعرض النبات لدرجات حرارة متجمدة. قال Schnable إن النموذج تم تغذيته أيضًا "بكل ميزة يمكن أن نفكر فيها" لكل جين ذرة ، بما في ذلك طوله واستقراره وأي اختلافات بينه وبين النسخ الأخرى الموجودة في نباتات الذرة الأخرى.
في وقت لاحق ، اختبر الباحثون نموذجهم عن طريق إخفاء جزء واحد فقط من المعلومات في مجموعة فرعية من تلك الجينات: ما إذا كانوا قد استجابوا لبداية درجات الحرارة المتجمدة ، أم أنهم لم يستجيبوا. من خلال تحليل ميزات الجينات التي قيل لها إنها إما مستجيبة أو غير مستجيبة ، حدد النموذج مجموعات هذه الميزات ذات الصلة بكل منها - ثم نجح في تحديد غالبية جينات الصندوق الغامض المتبقية في فئاتها الصحيحة.
لقد كانت بداية واعدة بلا شك. لكن بقي الاختبار الحقيقي: هل يمكن للنموذج أن يأخذ التدريب الذي تلقاه في نوع واحد ويطبقه على نوع آخر؟
كانت الإجابة بنعم قاطعة. بعد التدريب على بيانات الحمض النووي من واحد فقط من ستة أنواع - الذرة ، والذرة الرفيعة ، والدخن اللؤلؤي ، والدخن بروسو ، والدخن الثعلب ، أو عشبة التبديل - كان النموذج عمومًا قادرًا على التنبؤ بالجينات في أي من الأنواع الخمسة الأخرى التي ستستجيب للتجميد. ولدهشة Schnable ، صمد النموذج حتى عندما تم تدريبه على أنواع حساسة للبرد - الذرة أو الذرة الرفيعة أو اللؤلؤ أو الدخن - ولكن تم تكليفه بالتنبؤ باستجابات الجينات في دخن الثعلب أو عشبة التبديل.
الموديل
قال ، "النماذج التي دربناها عملت بشكل جيد تقريبًا عبر الأنواع كما لو كان لديك بالفعل بيانات في نوع واحد واستخدمت البيانات الداخلية لعمل تنبؤات في نفس النوع" ، كما قال ، تلميحًا من العجب باق في صوته بعد أشهر. "لم أكن لأتوقع ذلك حقًا."
"فكرة أنه يمكننا فقط إدخال كل هذه المعلومات في جهاز كمبيوتر ، ويمكنه اكتشاف بعض القواعد على الأقل لعمل تنبؤات ناجحة ، لا تزال رائعة بالنسبة لي."
يمكن أن تكون هذه التنبؤات مفيدة بشكل خاص عند النظر في البديل. لما يقرب من عقد من الزمان ، تمكن علماء الأحياء النباتية بالفعل من قياس عدد جزيئات الحمض النووي الريبي - المسؤولة عن نسخ ونقل تعليمات الحمض النووي - التي ينتجها كل جين في نبات حي. لكن شنابل قال إن مقارنة كيفية استجابة هذا التعبير الجيني للبرد في العينات الحية ، وعبر الأنواع المتعددة ، هي مهمة شاقة. هذا صحيح بشكل خاص مع النباتات البرية ، التي يصعب حتى الحصول على بذورها. قد لا تنبت هذه البذور عند توقعها ، هذا إذا حدث ذلك أصلاً ، ويمكن أن تستغرق سنوات لتنمو. حتى لو فعلوا ذلك ، يجب زراعة كل نبات ناتج في بيئة متطابقة خاضعة للرقابة ودراستها في نفس المرحلة التنموية.
المزيد من الأنواع
كل هذا يشكل تحديًا كبيرًا أمام زراعة ما يكفي من العينات البرية ، من الأنواع البرية الكافية ، لتكرار وتقييم استجابات جيناتها للبرد إحصائيًا.
قال شنابل: "إذا أردنا حقًا التعرف على الجينات المهمة - فهذا يلعب دورًا فعليًا في كيفية تكيف النبات مع البرودة - فنحن بحاجة إلى النظر إلى أكثر من نوعين". "نريد أن ننظر إلى مجموعة من الأنواع التي تتحمل البرد ومجموعة حساسة ، وننظر إلى الأنماط:" هذا الجين نفسه يستجيب دائمًا في أحدهما ولا يستجيب دائمًا في الآخر. "
"يبدأ ذلك في أن يصبح تجربة كبيرة ومكلفة حقًا. سيكون من الرائع حقًا أن نتمكن من عمل تنبؤات من تسلسل الحمض النووي لهذه الأنواع بدلاً من أخذ 20 نوعًا ومحاولة الحصول عليها جميعًا في نفس المرحلة ، على سبيل المثال ، ووضعهم جميعًا في نفس علاجات الإجهاد بالضبط ، و قياس كمية الحمض النووي الريبي المنتجة لكل جين في كل نوع ".
لحسن الحظ بالنسبة لهذا النموذج ، قام الباحثون بالفعل بتسلسل الجينوم لأكثر من 300 نوع من النباتات. يمكن أن يؤدي الجهد الدولي المستمر إلى رفع هذا الرقم إلى 10,000 خلال السنوات القليلة المقبلة.
على الرغم من أن النموذج قد تجاوز بالفعل توقعاته المتواضعة ، إلا أن Schnable قال إن الخطوة التالية ستشمل مع ذلك "إقناعنا نحن والآخرين" بأنها تعمل بشكل جيد كما فعلت حتى الآن. في كل حالة اختبار حتى الآن ، طلب الباحثون من النموذج أن يخبرهم بما يعرفونه بالفعل. وقال إن الاختبار النهائي سيأتي عندما يبدأ كل من البشر والآلة من الصفر.
قال: "التجربة الكبيرة التالية التي أعتقد أننا بحاجة إلى القيام بها هي عمل تنبؤات حول نوع لا نملك فيه أي بيانات على الإطلاق". "لإقناع الناس أنها تعمل حقًا في الحالات التي لا نعرف فيها الإجابات."
أعلن الفريق عن نتائجه في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences. قام منغ وليانغ وشنابل بتأليف الدراسة مع ريبيكا روستون من نبراسكا ، ويانغ زانغ ، وسميرة محبوب ، والطالب الجامعي دانيال نجو ، إلى جانب شيورو داي ، الباحث الزائر من جامعة شاندونغ الزراعية.
لمزيد من المعلومات:
جامعة نبراسكا لينكولن
www.unl.edu