Nalika Xiaoxi Meng sareng Zhikai Liang mimiti ngajukeun ideu sababaraha taun ka pengker, James Schnable skeptis. Pikeun nyebutkeun sahenteuna.
"'Nya, anjeun tiasa nyobian, tapi kuring henteu nyangka éta bakal jalan,'" dosen ahli agronomi sareng hortikultura ngelingan nyarios ka Meng sareng Liang, teras peneliti postdoctoral di lab Schnable di Universitas Nebraska–Lincoln.
Anjeunna salah na, dina hindsight, pernah happier janten. Tapi dina waktos éta, Schnable ngagaduhan alesan anu adil pikeun ngangkat halis. Gagasan duo - yén sekuen DNA tina pepelakan anu sénsitip tiis anu pasrah kana ibun anu keras tiasa ngabantosan ngaduga kumaha pepelakan anu langkung liar sareng langkung kuat toleran kaayaan katirisan - sigana gagah. Pikeun nyebutkeun sahenteuna. Masih, éta mangrupikeun proposisi anu résiko rendah, ganjaran anu luhur. Kusabab upami Meng sareng Liang tiasa dianggo, éta ngan ukur usaha gancang-gancang pikeun ngadamel pepelakan anu sénsitip tiis sakedik atanapi bahkan langkung seueur sapertos anu tahan tiis.
Sababaraha pepelakan anu paling penting di dunya didoméstikasi di daérah tropis - jagung di Méksiko kidul, sorgum di Afrika wétan - anu henteu masihan tekanan selektif pikeun aranjeunna mekarkeun pertahanan ngalawan tiis atanapi katirisan. Nalika pepelakan éta dipelak dina iklim anu langkung parah, sensitipitasna kana wates tiis ngabatesan sabaraha awal aranjeunna tiasa ditanam sareng sabaraha telat aranjeunna tiasa dipanén. Musim ngembang anu langkung pondok sami sareng waktos anu langkung sakedik pikeun fotosintésis, nyababkeun hasil anu langkung alit sareng kirang tuangeun pikeun populasi global diperkirakeun ngadeukeutan 10 milyar jalma dina taun 2050.
iklim tiis
Spésiés tutuwuhan anu geus tumuwuh di iklim tiis, Samentara éta, mekar trik pikeun endure tiis. Éta tiasa ngonpigurasikeun mémbran sélularna pikeun ngajaga likuiditas dina suhu anu langkung handap, nyegah mémbran tina katirisan sareng retakan. Éta bisa nambahkeun dashes gula kana cair di na sabudeureun éta mémbran, nurunkeun titik beku maranéhanana dina cara nu sarua jeung uyah dina trotoar urang. Éta malah bisa ngahasilkeun protéin nu smother kristal és minuscule saméméh kristal maranéhanana tumuwuh jadi massa sél-busting.
Sadaya pertahanan éta asalna dina tingkat genetik, sanaos henteu ngan dina sekuen DNA sorangan. Nalika pepelakan mimiti beku, aranjeunna tiasa ngabales ku cara nganonaktipkeun atanapi ngahurungkeun gen-gen anu tangtu - nyegah atanapi ngantepkeun manual instruksi genetikna ditranskripsi sareng dilaksanakeun. Nyaho gén mana pepelakan anu tahan tiis dipareuman sareng dihurungkeun dina nyanghareupan hawa katirisan, teras, tiasa ngabantosan panaliti ngartos dasar bentengna sareng, pamustunganana, ngaréka pertahanan anu sami kana pepelakan anu sénsitip tiis.
Tapi Schnable ogé terang, sapertos Meng sareng Liang, bahkan gén anu idéntik sering ngaréspon béda-béda kana tiis dina spésiés pepelakan, bahkan anu aya hubunganana. Anu hartosna, frustratingly, yén pamahaman kumaha gén ngabales tiis dina hiji spésiés condong ngabejaan élmuwan tutuwuhan ampir euweuh nu ngayakinkeun ngeunaan paripolah gén di sejen. Éta unpredictability, kahareupna geus hindered usaha pikeun neuleuman aturan dictating naon bakal mareuman atawa ngaktipkeun gén.
"Kami masih leres-leres ngartos naha gen dipareuman sareng hurung," saur Schnable.
Tutuwuhan jagong
Kurangna buku aturan, panalungtik ngancik kana pembelajaran mesin, bentuk kecerdasan jieunan anu dasarna tiasa nyerat sorangan. Aranjeunna husus ngembangkeun model klasifikasi diawasan - nu diurutkeun nu bisa, lamun dibere gambar cukup dilabélan tina, sebutkeun, ucing jeung teu-ucing, pamustunganana diajar ngabedakeun urut ti dimungkinkeun. Tim mimitina dibere model sorangan kalawan tumpukan gede pisan gén sequenced ti jagong, babarengan jeung tingkat aktivitas rata-rata gén maranéhanana nalika pabrik ieu subjected kana hawa katirisan. model ieu ogé fed "unggal fitur urang bisa mikir" pikeun tiap gén jagong, ceuk Schnable, kaasup panjangna, stabilitas sarta sagala bédana antara eta jeung versi sejen tina eta kapanggih dina tutuwuhan jagong lianna.
Engké, panalungtik nguji modél maranéhanana ku concealing ti eta ngan hiji sapotong informasi dina sawaréh gén maranéhanana: naha maranéhna ngabales awal hawa katirisan, atawa naha maranéhna henteu. Ku analisa fitur gén anu dicaritakeun boh responsif atanapi non-responsif, modél éta ngabédakeun kombinasi fitur-fitur éta anu relevan pikeun masing-masing - teras suksés nempatkeun seuseueurna sésa-sésa gén misteri-kotak kana kategori anu leres.
Ieu mimiti ngajangjikeun, teu ragu. Tapi tés nyata tetep: Naha modél tiasa nyandak palatihan anu ditampi dina hiji spésiés sareng nerapkeun ka anu sanés?
jawaban éta enya definitif. Sanggeus dilatih jeung data DNA tina ngan salah sahiji genep spésiés - jagong, sorgum, mutiara Millet, proso Millet, foxtail Millet atanapi switchgrass - modél ieu umumna bisa ngaduga gén mana dina salah sahiji lima séjén bakal ngabales katirisan. Pikeun kaget Schnable, modél ieu dilaksanakeun sanajan dilatih dina spésiés anu sénsitip tiis - jagong, sorgum, mutiara atanapi gedang proso - tapi ditugaskeun pikeun ngaramalkeun réspon gén dina millet foxtail toleran tiis atanapi jukut switch.
model
"Modél anu kami latih damel ampir ogé di sakuliah spésiés saolah-olah anjeun leres-leres gaduh data dina hiji spésiés sareng nganggo data internal pikeun ngadamel prediksi dina spésiés anu sami," saurna, tanda heran anu aya dina sorana sasih sasih. "Kuring leres-leres moal ngaduga éta."
"Gagasan yén urang ngan ukur tiasa nyayogikeun sadaya inpormasi ieu kana komputer, sareng éta tiasa terang sahenteuna sababaraha aturan pikeun ngadamel prediksi anu tiasa dianggo, masih luar biasa pikeun kuring."
Prediksi éta tiasa ngabuktikeun hususna mangpaat nalika nganggap alternatif. Pikeun kasarna hiji dasawarsa, ahli biologi tutuwuhan sabenerna geus bisa ngukur jumlah molekul RNA - leuwih jawab transkripsi jeung transporting parentah DNA - dihasilkeun unggal gén dina tutuwuhan hirup. Tapi ngabandingkeun kumaha ekspresi gen éta ngaréspon kana tiis dina spésimén hirup, sareng dina sababaraha spésiés, mangrupikeun usaha anu parah, saur Schnable. Éta hususna leres pikeun pepelakan liar, anu sikina tiasa sesah dimeunangkeun. Éta siki moal berkecambah nalika diperkirakeun, upami sadayana, sareng tiasa mangtaun-taun kanggo tumbuh. Sanaos kitu, unggal pepelakan anu hasilna kedah dibudidayakeun dina lingkungan anu sami sareng dikawasa sareng diajar dina tahap pangembangan anu sami.
Langkung spésiés
Sadaya ieu nyababkeun tangtangan anu ageung pikeun ngembang spésimén liar anu cukup, tina spésiés liar anu cukup, pikeun ngayakeun réplikasi sareng ngevaluasi sacara statistik réspon genna pikeun tiis.
"Upami urang leres-leres hoyong terang naon gen anu penting - anu leres-leres maénkeun peran kumaha pepelakan adaptasi kana tiis - urang kedah ningali langkung ti dua spésiés," saur Schnable. "Kami hoyong ningal sakelompok spésiés anu toleran tiis sareng grup anu sénsitip, sareng ningali pola:" Gén anu sami ieu sok ngaréspon dina hiji sareng henteu ngaréspon dina anu sanés.
"Éta mimiti janten ékspérimén anu ageung sareng mahal. Éta saé pisan upami urang ngan ukur tiasa ngadamel prediksi tina sekuen DNA spésiés éta tibatan, sebutkeun, nyandak 20 spésiés sareng nyobian sadayana dina tahap anu sami, nempatkeun éta sadayana ngalangkungan perlakuan setrés anu sami, sareng ngukur jumlah RNA dihasilkeun pikeun unggal gén dina unggal spésiés.
Untungna pikeun modél, peneliti parantos ngaruntuykeun génom langkung ti 300 spésiés pepelakan. Usaha internasional anu terus-terusan tiasa nyorong jumlahna saluhur 10,000 dina sababaraha taun ka hareup.
Sanaos modél éta parantos ngalegaan ekspektasi anu sederhana, Schnable nyatakeun yén léngkah salajengna bakal ngalibatkeun "ngayakinkeun diri urang sorangan sareng jalma sanés" yén éta tiasa dianggo ogé dugi ka ayeuna. Dina unggal kasus uji dugi ka ayeuna, panaliti naroskeun modél pikeun nyarioskeun naon anu aranjeunna terang. Tés pamungkas, cenah, bakal datang nalika duanana manusa jeung mesin dimimitian ti scratch.
"Percobaan gedé salajengna anu kuring pikir kedah urang laksanakeun nyaéta ngadamel prediksi ngeunaan spésiés dimana urang henteu gaduh data pisan," saurna. "Pikeun ngayakinkeun jalma yén éta leres-leres tiasa dianggo dina kasus dimana urang henteu terang jawabanna."
Tim éta ngalaporkeun papanggihanna dina jurnal Prosiding National Academy of Sciences. Meng, Liang sareng Schnable nyerat pangajaran sareng Nebraska's Rebecca Roston, Yang Zhang, Samira Mahboub sareng mahasiswa sarjana Daniel Ngu, sareng Xiuru Dai, saurang sarjana nganjang ti Universitas Pertanian Shandong.
Kanggo inpo nu leuwih:
Universitas Nebraska Lincoln
www.unl.edu