Xiaoxi Meng ve Zhikai Liang birkaç yıl önce bu fikri ilk kez önerdiğinde, James Schnable şüpheciydi. Kısaca söylemek gerekirse.
Tarım ve bahçecilik doçenti Meng ve Liang'a, daha sonra Schnable'ın Nebraska-Lincoln Üniversitesi'ndeki laboratuarında doktora sonrası araştırmacılara “'Pekala, deneyebilirsiniz, ama işe yarayacağını sanmıyorum'” dediğini hatırladı.
Yanılmıştı ve geriye dönüp bakıldığında, asla daha mutlu olmamıştı. Yine de o sırada Schnable'ın tek kaşını kaldırmak için haklı bir nedeni vardı. İkilinin fikri - sert bir dona teslim olan soğuğa duyarlı mahsullerin DNA dizilerinin, daha vahşi, daha sert bitkilerin donma koşullarına ne kadar tolerans gösterdiğini tahmin etmeye yardımcı olabileceği - cüretkar görünüyordu. Kısaca söylemek gerekirse. Yine de, düşük riskli, yüksek ödüllü bir teklifti. Çünkü Meng ve Liang işe yarayabilirse, soğuğa duyarlı mahsulleri soğuğa dayanıklı muadilleri gibi biraz, hatta çok daha fazla yapma çabalarını hızlandırabilir.
Dünyanın en önemli mahsullerinden bazıları tropik bölgelerde evcilleştirildi - güney Meksika'da mısır, doğu Afrika'da sorgum - bu, soğuğa veya donmaya karşı savunma geliştirmeleri için üzerlerinde seçici bir baskı yaratmadı. Bu ürünler daha sert iklimlerde yetiştirildiğinde, soğuğa duyarlılıkları ne kadar erken ekilebileceklerini ve ne kadar geç hasat edilebileceklerini sınırlar. Daha kısa büyüme mevsimleri, fotosentez için daha az zamana eşittir, bu da 10 yılına kadar 2050 milyar insana yaklaşması beklenen küresel bir nüfus için daha az verim ve daha az gıda ile sonuçlanır.
soğuk iklimler
Bu arada, daha soğuk iklimlerde yetişen bitki türleri, soğuğa dayanmak için hileler geliştirdi. Hücre zarlarını daha düşük sıcaklıklarda likiditeyi korumak için yeniden yapılandırabilirler, zarların donmasını ve kırılmasını önleyebilirler. Bu zarların içindeki ve etrafındaki sıvılara şeker damlaları ekleyerek donma noktalarını tuzun bir kaldırımda yaptığı gibi düşürebilirler. Küçük buz kristallerini, bu kristaller hücre parçalayıcı kütlelere dönüşmeden önce boğan proteinler bile üretebilirler.
Tüm bu savunmalar, yalnızca DNA'nın kendi dizilerinde olmasa da, genetik düzeyde ortaya çıkar. Bitkiler donmaya başladığında, belirli genleri kapatarak veya açarak yanıt verebilirler - genetik talimat kılavuzlarının kopyalanmasını ve yürütülmesini önleyerek veya izin vererek. O halde, soğuğa dayanıklı bitkilerin donma sıcaklıkları karşısında hangi genlerin açılıp kapandığını bilmek, araştırmacıların tahkimatların temellerini kavramalarına ve nihayetinde soğuğa duyarlı mahsuller için benzer savunmalar geliştirmelerine yardımcı olabilir.
Ancak Schnable, Meng ve Liang'ın yaptığı gibi, özdeş bir genin bile bitki türlerinde, hatta yakından ilişkili türlerde bile sıklıkla soğuğa farklı tepkiler verdiğini biliyordu. Bu, sinir bozucu bir şekilde, bir türdeki bir genin soğuğa nasıl tepki verdiğini anlamanın, bitki bilimcilerine, genin bir başka türdeki davranışı hakkında neredeyse kesin hiçbir şey söylememe eğiliminde olduğu anlamına gelir. Bu öngörülemezlik, genleri neyin devre dışı bırakacağını veya etkinleştireceğini belirleyen kuralları öğrenme çabalarını engelledi.
Schnable, "Genlerin neden açılıp kapandığını anlamakta hala gerçekten çok kötüyüz" dedi.
Mısır bitkileri
Bir kural kitabından yoksun olan araştırmacılar, esasen kendi kurallarını yazabilen bir yapay zeka biçimi olan makine öğrenimine yöneldiler. Spesifik olarak denetimli bir sınıflandırma modeli geliştirdiler - örneğin kedilerin ve kedi olmayanların yeterli etiketli görüntüleri ile sunulduğunda, sonunda ilkini ikincisinden ayırmayı öğrenebilecek tür. Ekip başlangıçta kendi modelini, bitki donma sıcaklıklarına maruz kaldığında bu genlerin ortalama aktivite seviyeleriyle birlikte mısırdan elde edilen muazzam bir dizi gen yığını ile sundu. Schnable, modelin uzunluğu, kararlılığı ve diğer mısır bitkilerinde bulunan diğer versiyonları arasındaki farklılıklar da dahil olmak üzere her mısır geni için "düşünebileceğimiz her özelliği" beslediğini söyledi.
Daha sonra araştırmacılar, modellerini, bu genlerin bir alt kümesindeki sadece bir parça bilgiyi gizleyerek test ettiler: donma sıcaklıklarının başlangıcına tepki verip vermedikleri veya vermedikleri. Duyarlı ya da tepkisiz olduğu söylenen genlerin özelliklerini analiz eden model, bu özelliklerin hangi kombinasyonlarının her biri ile ilgili olduğunu fark etti ve ardından kalan, gizemli kutu genlerinin çoğunu başarılı bir şekilde doğru kategorilerine yerleştirdi.
Şüphesiz umut verici bir başlangıçtı. Ama asıl test kaldı: Model, bir türde aldığı eğitimi alıp başka bir türe uygulayabilir mi?
Cevap kesin bir evetti. Model, altı türden (mısır, sorgum, inci darı, proso darı, tilki kuyruğu darı veya şalgam) sadece birinden alınan DNA verileriyle eğitildikten sonra, diğer beş türden herhangi birinde hangi genlerin donmaya tepki vereceğini genel olarak tahmin edebildi. Model, soğuğa duyarlı türler (mısır, sorgum, inci veya proso darı) üzerinde eğitildiğinde bile Schnable'ı şaşırttı, ancak soğuğa toleranslı tilki kuyruğu darı veya şalgamdaki gen tepkilerini tahmin etmekle görevlendirildi.
Model
"Eğittiğimiz modeller, türler arasında neredeyse aynı şekilde çalıştı, sanki bir türe ilişkin veriye sahipmişsiniz ve iç verileri aynı türde tahminler yapmak için kullanıyormuşsunuz gibi," dedi, aylar sonra sesinde kalan bir şaşkınlık ipucu. "Bunu gerçekten tahmin edemezdim."
"Bütün bu bilgileri bir bilgisayara besleyebileceğimiz ve tahminlerin işe yaraması için en azından bazı kurallar belirleyebileceğimiz fikri, hala benim için biraz şaşırtıcı."
Bu tahminler, alternatif düşünüldüğünde özellikle faydalı olabilir. Yaklaşık on yıldır, bitki biyologları, yaşayan bir bitkideki her gen tarafından üretilen RNA moleküllerinin (DNA talimatlarının kopyalanmasından ve taşınmasından sorumlu olanlar) sayısını gerçekten ölçebildiler. Ancak Schnable, bu gen ifadesinin canlı örneklerde ve birden fazla türde soğuğa nasıl tepki verdiğini karşılaştırmanın özenli bir girişim olduğunu söyledi. Bu, özellikle tohumlarının elde edilmesi bile zor olabilen yabani bitkiler için geçerlidir. Bu tohumlar beklendiği zaman filizlenmeyebilir ve büyümesi yıllar alabilir. Yapsalar bile, ortaya çıkan her bitkinin aynı, kontrollü bir ortamda yetiştirilmesi ve aynı gelişim aşamasında çalışılması gerekir.
Daha fazla tür
Tüm bunlar, genlerinin soğuğa tepkilerini çoğaltmak ve istatistiksel olarak değerlendirmek için yeterli sayıda yabani türden yeterince vahşi örnek yetiştirmek için büyük bir zorluk teşkil ediyor.
Schnable, "Hangi genlerin önemli olduğunu gerçekten anlamak istiyorsak - bu aslında bitkinin soğuğa nasıl adapte olduğu konusunda bir rol oynuyor - ikiden fazla türe bakmamız gerekiyor" dedi. "Soğuğa toleranslı bir grup türe ve duyarlı bir gruba bakmak istiyoruz ve kalıplara bakmak istiyoruz: "Aynı gen her zaman birinde yanıt verir ve diğerinde her zaman yanıt vermez."
"Bu gerçekten büyük ve pahalı bir deney olmaya başlıyor. 20 türü alıp hepsini aynı aşamaya getirmeye çalışmak yerine, bu türlerin DNA dizilerinden sadece tahminler yapabilseydik, gerçekten güzel olurdu, hepsini aynı stres tedavilerinden geçirir ve her türdeki her gen için üretilen RNA miktarını ölçün.”
Neyse ki model için, araştırmacılar 300'den fazla bitki türünün genomlarını zaten sıraladılar. Devam eden uluslararası bir çaba, bu sayıyı önümüzdeki birkaç yıl içinde 10,000'e kadar çıkarabilir.
Model, mütevazı beklentilerini çoktan aşmış olsa da, Schnable, bir sonraki adımın yine de, şimdiye kadar olduğu kadar iyi çalıştığına “hem kendimizi hem de diğer insanları ikna etmeyi” içereceğini söyledi. Bugüne kadarki her test vakasında, araştırmacılar modelden kendilerine zaten bildiklerini söylemelerini istediler. Nihai test, hem insanlar hem de makine sıfırdan başladığında gelecek.
“Yapmamız gerektiğini düşündüğüm bir sonraki büyük deney, elimizde hiçbir verinin olmadığı bir tür hakkında tahminlerde bulunmak” dedi. "Cevapları bizim bile bilmediğimiz durumlarda gerçekten işe yaradığına insanları ikna etmek."
Ekip bulgularını Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı'nda bildirdi. Meng, Liang ve Schnable, çalışmayı Nebraska'dan Rebecca Roston, Yang Zhang, Samira Mahboub ve lisans öğrencisi Daniel Ngu ile birlikte Shandong Ziraat Üniversitesi'nden misafir akademisyen Xiuru Dai ile birlikte yazdı.
Daha fazla bilgi için:
Nebraska Lincoln Üniversitesi
www.unl.edu