Sa dihang si Xiaoxi Meng ug Zhikai Liang unang misugyot sa ideya pipila ka tuig na ang milabay, si James Schnable nagduhaduha. Sa pagsulti sa labing gamay.
"'Aw, mahimo nimong sulayan, apan sa akong hunahuna dili kini molihok,'" ang associate professor sa agronomy ug horticulture nahinumdom nga nagsulti kang Meng ug Liang, unya postdoctoral nga mga tigdukiduki sa Schnable's lab sa University of Nebraska–Lincoln.
Nasayop siya ug, sa pagtan-aw, dili na mas malipayon. Apan niadtong panahona, si Schnable adunay patas nga rason sa pagpataas sa kilay. Ang ideya sa duo - nga ang mga sunud-sunod nga DNA sa mga tanum nga sensitibo sa bugnaw nga mosurender sa usa ka matig-a nga katugnaw makatabang sa pagtagna kung giunsa ang mga ihalas, mas lig-on nga tanum nga gitugotan ang mga kondisyon sa katugnaw - ingon maisugon. Sa pagsulti sa labing gamay. Bisan pa, kini usa ka gamay nga peligro, taas nga ganti nga tanyag. Tungod kay kung mahimo kini ni Meng ug Liang nga molihok, mahimo’g paspas nga pagsubay sa mga paningkamot aron mahimo ang mga tanum nga sensitibo sa bugnaw nga gamay o labi pa nga labi pa nga parehas sa ilang mga katugbang nga dili makasugakod sa bugnaw.
Ang pipila sa labing hinungdanon nga mga tanum sa kalibutan gipamuhi sa mga tropikal nga rehiyon - mais sa habagatang Mexico, sorghum sa silangang Africa - nga wala’y gipili nga presyur sa kanila aron mabag-o ang mga depensa batok sa katugnaw o katugnaw. Kung kana nga mga tanum gipatubo sa mas grabe nga mga klima, ang ilang pagkasensitibo sa katugnaw naglimite kung unsa ka sayo sila itanum ug kung unsa ka ulahi ang pag-ani. Ang mas mugbo nga mga panahon sa pagtubo katumbas sa gamay nga oras alang sa photosynthesis, nga nagresulta sa gamay nga ani ug gamay nga pagkaon alang sa usa ka global nga populasyon gilauman nga moduol sa 10 bilyon nga mga tawo sa 2050.
Bugnaw nga klima
Ang mga espisye sa tanum nga mitubo na sa mas bugnaw nga mga klima, sa laing bahin, nag-uswag sa mga limbong aron maagwanta ang katugnaw. Mahimo nila nga i-configure ang ilang mga cellular membrane aron mapadayon ang pagkatubig sa mas ubos nga temperatura, nga mapugngan ang mga lamad gikan sa pagyelo ug pagkabali. Mahimo nilang idugang ang mga dash sa asukal sa mga likido sa sulod ug sa palibot sa mga lamad, nga magpaubos sa ilang nagyelo nga punto sa parehas nga paagi nga gihimo sa asin ang usa ka sidewalk. Makahimo pa gani sila og mga protina nga makapugong sa gagmay nga mga kristal sa yelo sa dili pa kini nga mga kristal motubo ngadto sa mga masa nga makaguba sa selula.
Ang tanan nga mga depensa naggikan sa genetic nga lebel, bisan kung dili lamang sa mga han-ay sa DNA mismo. Sa diha nga ang mga tanum magsugod sa pagyelo, sila makatubag pinaagi sa esensya nga pagpalong o pagpalong sa pipila ka mga gene - pagpugong o pagtugot sa ilang mga manwal sa pagtudlo sa genetiko nga ma-transcribe ug matuman. Ang pagkahibalo kon unsang mga gene nga cold-tolerant nga mga tanom ang mopalong ug magpadayon atubangan sa nagyelo nga temperatura, nan, makatabang sa mga tigdukiduki nga masabtan ang mismong mga pundasyon sa ilang mga kuta ug, sa kataposan, mag-engineer sa susamang mga depensa ngadto sa cold-sensitive nga mga tanom.
Apan nahibal-an usab ni Schnable, sama sa gibuhat ni Meng ug Liang, nga bisan ang parehas nga gene kanunay nga motubag sa katugnaw sa mga espisye sa tanum, bisan sa mga suod nga paryente. Nga nagpasabut, makapahigawad, nga ang pagsabut kung giunsa ang pagtubag sa usa ka gene sa katugnaw sa usa ka espisye lagmit nagsulti sa mga siyentipiko sa tanum nga halos wala’y konklusyon bahin sa pamatasan sa gene sa lain. Kana nga dili matag-an, sa baylo, nakababag sa mga paningkamot sa pagkat-on sa mga lagda nga nagdiktar kung unsa ang mag-deactivate o mag-aktibo sa mga gene.
"Kami sa gihapon dili maayo sa pagsabut kung ngano nga ang mga gene nag-off ug nagpadayon," ingon ni Schnable.
Mga tanum nga mais
Tungod kay kulang sa usa ka basahon sa lagda, ang mga tigdukiduki milingi sa pagkat-on sa makina, usa ka porma sa artipisyal nga paniktik nga sa pagkatinuod makasulat sa iyang kaugalingon. Partikular nilang gimugna ang usa ka supervised classification model - ang matang nga mahimo, kung gipresentar nga adunay igo nga label nga mga imahe sa, ingnon ta, mga iring ug dili mga iring, sa katapusan makakat-on sa pag-ila sa nauna gikan sa ulahi. Ang team sa sinugdan nagpresentar sa kaugalingon nga modelo sa usa ka dako nga pundok sa mga sequenced genes gikan sa mais, uban sa kasagaran nga lebel sa kalihokan sa mga gene sa dihang ang tanum gipailalom sa nagyelo nga temperatura. Ang modelo gipakaon usab "matag bahin nga atong mahunahunaan" alang sa matag gene sa mais, si Schnable miingon, lakip ang gitas-on niini, ang kalig-on niini ug ang bisan unsang kalainan tali niini ug sa ubang mga bersyon niini nga makita sa ubang mga tanum nga mais.
Sa ulahi, gisulayan sa mga tigdukiduki ang ilang modelo pinaagi sa pagtago gikan niini usa lang ka piraso sa kasayuran sa usa ka subset sa mga gene: kung sila mitubag sa pagsugod sa nagyelo nga temperatura, o kung wala. Pinaagi sa pag-analisar sa mga bahin sa mga gene nga gisultihan nga mahimong mosanong o dili mosanong, ang modelo nakasabut kung unsang mga kombinasyon sa mga bahin ang may kalabotan sa matag usa - ug dayon malampuson nga gibutang ang kadaghanan sa nahabilin, misteryo-kahon nga mga gene sa ilang husto nga mga kategorya.
Kini usa ka maayong pagsugod, sa walay duhaduha. Apan ang tinuod nga pagsulay nagpabilin: Makuha ba sa modelo ang pagbansay nga nadawat niini sa usa ka espisye ug magamit kini sa lain?
Ang tubag maoy usa ka tinong oo. Human mabansay sa datos sa DNA gikan sa usa lang sa unom ka espisye - mais, sorghum, pearl millet, proso millet, foxtail millet o switchgrass - ang modelo sa kasagaran makahimo sa pagtagna kung unsang mga gene sa bisan asa sa lima pa ang motubag sa pagyelo. Sa katingala ni Schnable, ang modelo nagpabilin bisan kung kini gibansay sa usa ka sensitibo sa bugnaw nga mga species - mais, sorghum, perlas o proso millet - apan gitahasan sa pagtagna sa mga tubag sa gene sa cold-tolerant foxtail millet o switchgrass.
modelo
"Ang mga modelo nga among gibansay nagtrabaho hapit sa tanan nga mga espisye ingon nga kung adunay ka tinuod nga datos sa usa ka espisye ug gigamit ang internal nga datos aron mahimo ang mga panagna sa parehas nga mga espisye," ingon niya, usa ka timaan sa katingala nga nagpabilin sa iyang tingog mga bulan sa ulahi. "Dili gyud nako kana gitagna."
"Ang ideya nga mahimo ra naton ipakaon ang tanan nga kini nga kasayuran sa usa ka kompyuter, ug mahimo’g mahibal-an bisan ang pipila nga mga lagda aron makahimo mga panagna nga molihok, ingon ka katingalahan alang kanako."
Kana nga mga panagna mahimong labi ka mapuslanon kung gikonsiderar ang alternatibo. Sulod sa halos usa ka dekada, ang mga biologo sa tanum sa tinuud nakahimo sa pagsukod sa gidaghanon sa mga molekula sa RNA - ang responsable sa pag-transcribe ug pagdala sa mga panudlo sa DNA - nga gihimo sa matag gene sa buhi nga tanum. Apan ang pagtandi kung giunsa pagtubag ang ekspresyon sa gene sa katugnaw sa buhi nga mga espesimen, ug sa daghang mga espisye, usa ka makuti nga buluhaton, ingon ni Schnable. Tinuod kana labi na sa mga ihalas nga tanum, kansang mga liso mahimong lisud makuha. Kadtong mga liso mahimong dili moturok kung gipaabut, kung mahimo man, ug mahimo’g daghang tuig aron motubo. Bisan kung buhaton nila, ang matag sangputanan nga tanum kinahanglan nga kultibado sa parehas, kontrolado nga palibot ug tun-an sa parehas nga yugto sa pag-uswag.
Dugang espisye
Ang tanan niini naghatag usa ka dako nga hagit sa pagpatubo og igo nga ihalas nga mga espesimen, gikan sa igo nga ihalas nga mga espisye, aron makopya ug estadistika ang pagtimbang-timbang sa mga tubag sa ilang mga gene sa katugnaw.
"Kung gusto gyud naton mahibal-an kung unsang mga gene ang hinungdanon - nga sa tinuud adunay usa ka papel kung giunsa ang pagpahiangay sa tanum sa katugnaw - kinahanglan naton tan-awon ang labaw pa sa duha nga mga espisye," ingon ni Schnable. "Gusto namon nga tan-awon ang usa ka grupo sa mga espisye nga matugtanon sa katugnaw ug usa ka grupo nga sensitibo, ug tan-awon ang mga sumbanan: "Kini nga parehas nga gene kanunay nga motubag sa usa ug kanunay dili motubag sa lain."
"Nagsugod kana nga mahimong usa ka dako ug mahal nga eksperimento. Nindot kaayo kung makahimo lang kita og mga panagna gikan sa mga han-ay sa DNA sa mga espisye imbes, ingnon ta, pagkuha sa 20 ka espisye ug pagsulay nga makuha silang tanan sa parehas nga yugto, ibutang silang tanan sa parehas nga mga pagtambal sa stress, ug sukdon ang gidaghanon sa RNA nga gihimo alang sa matag gene sa matag espisye.”
Maayo na lang alang sa modelo, ang mga tigdukiduki nagsunud-sunod na sa mga genome sa kapin sa 300 ka mga espisye sa tanum. Ang padayon nga internasyonal nga paningkamot mahimong makaduso sa kana nga gidaghanon hangtod sa 10,000 sa sunod nga mga tuig.
Bisan kung ang modelo labi na nga milabaw sa iyang kasarangan nga gipaabut, giingon ni Schnable nga ang sunod nga lakang maglangkit sa "pagkumbinser sa among kaugalingon ug sa ubang mga tawo" nga kini molihok sama sa karon. Sa matag kaso sa pagsulay hangtod karon, gihangyo sa mga tigdukiduki ang modelo nga isulti kanila kung unsa ang nahibal-an na nila. Ang katapusang pagsulay, ingon niya, moabut kung ang mga tawo ug ang makina magsugod gikan sa wala.
"Ang sunod nga dako nga eksperimento sa akong hunahuna kinahanglan naton buhaton mao ang paghimo sa mga panagna sa usa ka espisye diin wala kami bisan unsang datos," ingon niya. "Aron makombinsir ang mga tawo nga kini molihok gyud sa mga kaso diin bisan kami wala mahibal-an ang mga tubag."
Gi-report sa team ang mga nahibal-an niini sa journal Proceedings of the National Academy of Sciences. Gisulat ni Meng, Liang ug Schnable ang pagtuon kauban si Rebecca Roston sa Nebraska, Yang Zhang, Samira Mahboub ug undergraduate nga estudyante nga si Daniel Ngu, kauban si Xiuru Dai, usa ka bisita nga iskolar gikan sa Shandong Agricultural University.
Alang sa dugang nga impormasyon:
Unibersidad sa Nebraska Lincoln
www.unl.edu