Xiaoxi Meng आणि Zhikai Liang यांनी काही वर्षांपूर्वी पहिल्यांदा ही कल्पना मांडली तेव्हा जेम्स श्नेबल संशयी होते. किमान म्हणायचे तर.
"'ठीक आहे, तुम्ही प्रयत्न करू शकता, परंतु मला वाटत नाही की ते कार्य करेल'," कृषीशास्त्र आणि फलोत्पादनाचे सहयोगी प्राध्यापक नेब्रास्का-लिंकन विद्यापीठातील श्नेबलच्या प्रयोगशाळेतील पोस्टडॉक्टरल संशोधक मेंग आणि लियांग यांना सांगितले होते.
तो चुकीचा होता आणि, अस्पष्टपणे, कधीही आनंदी नाही. तरीही त्यावेळी, श्नेबलकडे भुवया उंचावण्याचे उचित कारण होते. या दोघांची कल्पना - कठोर तुषारांना शरण जाणाऱ्या थंड-संवेदनशील पिकांचे डीएनए अनुक्रम हे सांगण्यास मदत करू शकतात की जंगली, कठोर झाडे अतिशीत परिस्थिती कशी सहन करतात - हे धाडसी वाटले. किमान म्हणायचे तर. तरीही, हे कमी-जोखीम, उच्च-बक्षीस प्रस्ताव होते. कारण मेंग आणि लिआंग हे कार्य करू शकले तर, ते थंड-संवेदनशील पिके त्यांच्या थंड-प्रतिरोधक समकक्षांसारखी थोडी किंवा खूप जास्त बनवण्याचा प्रयत्न करू शकतात.
जगातील काही महत्त्वाची पिके उष्णकटिबंधीय प्रदेशांमध्ये पाळली गेली होती - दक्षिण मेक्सिकोमधील मका, पूर्व आफ्रिकेतील ज्वारी - ज्यामुळे त्यांच्यावर थंडी किंवा अतिशीत विरूद्ध संरक्षण विकसित करण्यासाठी कोणताही निवडक दबाव येत नाही. जेव्हा ती पिके कठोर हवामानात उगवली जातात, तेव्हा त्यांची थंडीची संवेदनशीलता किती लवकर लागवड करता येईल आणि किती उशीरा काढता येईल यावर मर्यादा घालते. 10 पर्यंत 2050 अब्ज लोकसंख्येपर्यंत पोहोचण्याची अपेक्षा असलेल्या जागतिक लोकसंख्येसाठी कमी उत्पादन आणि कमी अन्न मिळण्यासाठी कमी कालावधीत वाढणारे हंगाम प्रकाशसंश्लेषणासाठी कमी वेळ असतात.
थंड हवामान
आधीच थंड हवामानात वाढणाऱ्या वनस्पती प्रजाती, दरम्यानच्या काळात, थंडी सहन करण्याच्या युक्त्या विकसित केल्या. ते त्यांच्या सेल्युलर पडद्याला कमी तापमानात तरलता राखण्यासाठी पुन्हा कॉन्फिगर करू शकतात, पडदा गोठवण्यापासून आणि फ्रॅक्चरिंगपासून रोखू शकतात. ते त्या पडद्याच्या आतील आणि आजूबाजूच्या द्रवांमध्ये साखरेचे डॅश जोडू शकतात, त्यांचा अतिशीत बिंदू कमी करू शकतात, जसे मीठ एखाद्या फुटपाथला करतो. ते प्रथिने देखील तयार करू शकतात जे ते क्रिस्टल्स सेल-बस्टिंग मासमध्ये वाढण्याआधी कमी बर्फाच्या क्रिस्टल्सला दाबतात.
हे सर्व संरक्षण अनुवांशिक स्तरावर उद्भवते, जरी केवळ डीएनएच्याच क्रमांमध्ये नाही. जेव्हा झाडे गोठण्यास सुरुवात करतात, तेव्हा ते काही विशिष्ट जनुकांना बंद किंवा चालू करून प्रतिसाद देऊ शकतात - त्यांच्या अनुवांशिक सूचना पुस्तिकांचे लिप्यंतरण आणि अंमलबजावणी होण्यास प्रतिबंध किंवा परवानगी देतात. थंड-सहिष्णु वनस्पती कोणते जनुक गोठवणार्या तापमानाला तोंड देत बंद आणि चालू होतात हे जाणून घेतल्यास, संशोधकांना त्यांच्या तटबंदीचा पाया समजून घेण्यास आणि शेवटी, शीत-संवेदनशील पिकांमध्ये समान संरक्षण अभियंता करण्यास मदत होऊ शकते.
परंतु मेंग आणि लिआंग यांच्याप्रमाणेच स्नेबलला हे देखील माहीत होते की, एकसमान जनुक देखील वनस्पतींच्या प्रजातींमध्ये, अगदी जवळून संबंधित असलेल्या सर्दीला वेगवेगळ्या प्रकारे प्रतिसाद देतो. याचा अर्थ, निराशाजनकपणे, की एका प्रजातीतील जनुक थंडीला कसा प्रतिसाद देतो हे समजून घेणे वनस्पती शास्त्रज्ञांना दुसर्या प्रजातीतील जनुकाच्या वर्तनाबद्दल जवळजवळ काहीही सांगू शकत नाही. त्या अनिश्चिततेमुळे, जीन्स काय निष्क्रिय किंवा सक्रिय होतील हे ठरवणारे नियम जाणून घेण्याच्या प्रयत्नांना अडथळा निर्माण झाला आहे.
"जीन्स का बंद होतात आणि चालू का होतात हे समजून घेण्यात आम्ही अजूनही खरोखरच वाईट आहोत," स्नेबल म्हणाले.
कॉर्न झाडे
नियम पुस्तिका नसल्यामुळे, संशोधक मशीन लर्निंगकडे वळले, कृत्रिम बुद्धिमत्तेचा एक प्रकार जो मूलत: स्वतःचे लेखन करू शकतो. त्यांनी विशेषत: एक पर्यवेक्षी वर्गीकरण मॉडेल विकसित केले - ज्या क्रमवारीत, मांजरी आणि मांजरी नसलेल्या, पुरेशा लेबल केलेल्या प्रतिमा सादर केल्यावर, अखेरीस नंतरच्या पहिल्यापासून वेगळे करणे शिकू शकते. संघाने प्रारंभी आपले स्वतःचे मॉडेल कॉर्नमधील अनुक्रमित जनुकांच्या प्रचंड ढिगाऱ्यासह सादर केले, त्या जनुकांच्या सरासरी क्रियाकलाप पातळीसह जेव्हा वनस्पती अतिशीत तापमानाच्या अधीन होती. या मॉडेलला प्रत्येक कॉर्न जीनसाठी “आम्ही विचार करू शकू असे प्रत्येक वैशिष्ट्य” देखील दिले होते, श्नेबल म्हणाले, त्याची लांबी, त्याची स्थिरता आणि इतर कॉर्न वनस्पतींमध्ये आढळणाऱ्या त्याच्या आणि त्याच्या इतर आवृत्त्यांमधील फरक यासह.
नंतर, संशोधकांनी त्या जनुकांच्या उपसंचातील माहितीचा एक भाग लपवून त्यांच्या मॉडेलची चाचणी केली: त्यांनी अतिशीत तापमान सुरू होण्यास प्रतिसाद दिला की नाही किंवा नाही. जनुकांच्या वैशिष्ट्यांचे विश्लेषण करून ते एकतर प्रतिसादात्मक किंवा गैर-प्रतिसादकारक होते, मॉडेलने त्या वैशिष्ट्यांचे कोणते संयोजन प्रत्येकाशी संबंधित होते हे ओळखले - आणि नंतर बहुतेक उर्वरित, रहस्य-बॉक्स जीन्स त्यांच्या योग्य श्रेणींमध्ये यशस्वीरित्या स्लॉट केले.
ही एक आशादायक सुरुवात होती, यात शंका नाही. पण खरी परीक्षा राहिली: मॉडेल एका जातीत मिळालेले प्रशिक्षण घेऊन दुसऱ्या जातीला लागू करू शकेल का?
उत्तर निश्चित होय असे होते. कॉर्न, ज्वारी, मोती बाजरी, प्रोसो बाजरी, फॉक्सटेल बाजरी किंवा स्विचग्रास या सहा प्रजातींपैकी फक्त एका जातीच्या डीएनए डेटासह प्रशिक्षण दिल्यानंतर मॉडेल सामान्यत: इतर पाच पैकी कोणते जनुक अतिशीत होण्यास प्रतिसाद देतील याचा अंदाज लावण्यास सक्षम होते. Schnable च्या आश्चर्याची गोष्ट म्हणजे, हे मॉडेल थंड-संवेदनशील प्रजातींवर प्रशिक्षित असतानाही - कॉर्न, ज्वारी, मोती किंवा प्रोसो बाजरी — वर प्रशिक्षित असतानाही - परंतु थंड-सहिष्णु फॉक्सटेल बाजरी किंवा स्विचग्रासमध्ये जनुकांच्या प्रतिसादांचा अंदाज लावण्याचे काम सोपवले.
मॉडेल
“आम्ही प्रशिक्षित केलेल्या मॉडेल्सनी जवळजवळ सर्व प्रजातींमध्ये असेच कार्य केले की जसे की तुमच्याकडे खरोखरच एका प्रजातीचा डेटा आहे आणि त्याच प्रजातीतील अंदाज बांधण्यासाठी अंतर्गत डेटा वापरला आहे,” तो म्हणाला, काही महिन्यांनंतर त्याच्या आवाजात आश्चर्याचा इशारा रेंगाळला. "मी खरंच याचा अंदाज लावला नसता."
"आम्ही ही सर्व माहिती संगणकात भरू शकतो आणि ते काम करणारे अंदाज बांधण्यासाठी किमान काही नियम शोधून काढू शकतो ही कल्पना अजूनही माझ्यासाठी आश्चर्यकारक आहे."
पर्यायाचा विचार करताना त्या अंदाज विशेषतः उपयुक्त ठरू शकतात. अंदाजे एक दशकापासून, वनस्पती जीवशास्त्रज्ञ आरएनए रेणूंची संख्या मोजण्यात सक्षम आहेत - जे डीएनए निर्देशांचे लिप्यंतरण आणि वाहतूक करण्यासाठी जबाबदार आहेत - जिवंत वनस्पतीमधील प्रत्येक जनुकाद्वारे उत्पादित केले जातात. परंतु जीन अभिव्यक्ती सजीवांच्या नमुन्यांमध्ये आणि अनेक प्रजातींमध्ये थंड होण्यास कसा प्रतिसाद देते याची तुलना करणे हे एक परिश्रमपूर्वक उपक्रम आहे, श्नेबल म्हणाले. हे विशेषतः जंगली वनस्पतींच्या बाबतीत खरे आहे, ज्यांचे बियाणे देखील मिळवणे कठीण आहे. ते बियाणे अपेक्षेनुसार अंकुरित होऊ शकत नाही, जर मुळीच, आणि वाढण्यास वर्षे लागू शकतात. जरी ते केले तरी, प्रत्येक परिणामी वनस्पतीची लागवड समान, नियंत्रित वातावरणात केली पाहिजे आणि त्याच विकासाच्या टप्प्यावर अभ्यास केला पाहिजे.
अधिक प्रजाती
या सर्वांमुळे, पुरेशा जंगली प्रजातींपासून पुरेशा जंगली नमुन्यांची वाढ करणे, त्यांच्या जनुकांच्या थंडीबद्दलच्या प्रतिसादांचे सांख्यिकीय मूल्यमापन करण्याचे मोठे आव्हान आहे.
"आम्हाला खरोखर कोणती जीन्स महत्त्वाची आहेत हे जाणून घ्यायचे असेल - जे प्रत्यक्षात वनस्पती थंडीशी कसे जुळवून घेते यात भूमिका बजावते - आम्हाला दोनपेक्षा जास्त प्रजाती पाहणे आवश्यक आहे," स्नेबल म्हणाले. "आम्हाला सर्दी सहन करणार्या प्रजातींच्या गटाकडे आणि संवेदनशील गटाकडे पहायचे आहे आणि नमुने पहायचे आहेत: "हेच जनुक नेहमी एकामध्ये प्रतिसाद देते आणि नेहमी दुसर्यामध्ये प्रतिसाद देत नाही."
“तो खरोखर मोठा आणि महागडा प्रयोग बनू लागतो. 20 प्रजाती घेण्याऐवजी आणि त्या सर्व एकाच टप्प्यावर आणण्याचा प्रयत्न करण्याऐवजी त्या प्रजातींच्या डीएनए अनुक्रमांवरून आपण अंदाज बांधू शकलो तर खरोखरच छान होईल प्रत्येक प्रजातीतील प्रत्येक जनुकासाठी आरएनएचे प्रमाण मोजा.”
सुदैवाने मॉडेलसाठी, संशोधकांनी आधीच 300 पेक्षा जास्त वनस्पती प्रजातींचे जीनोम अनुक्रमित केले आहेत. चालू असलेल्या आंतरराष्ट्रीय प्रयत्नांमुळे पुढील काही वर्षांत ही संख्या 10,000 पर्यंत वाढू शकते.
जरी मॉडेलने आधीच त्याच्या माफक अपेक्षा ओलांडल्या असल्या तरी, श्नेबल म्हणाले की पुढील पायरीमध्ये तरीही "स्वतःला आणि इतर लोकांना पटवून देणे" समाविष्ट आहे की ते आतापर्यंत आहे तसेच कार्य करते. आजपर्यंतच्या प्रत्येक चाचणी प्रकरणात, संशोधकांनी मॉडेलला त्यांना आधीच माहित असलेल्या गोष्टी सांगण्यास सांगितले आहे. तो म्हणाला, अंतिम चाचणी तेव्हा येईल जेव्हा मानव आणि यंत्र दोन्ही सुरवातीपासून सुरू होतील.
"मला वाटतं पुढचा मोठा प्रयोग म्हणजे आम्हाला अशा प्रजातींबद्दल अंदाज बांधणे आवश्यक आहे जिथे आमच्याकडे कोणताही डेटा नाही," तो म्हणाला. "लोकांना हे पटवून देण्यासाठी की ते खरोखरच अशा प्रकरणांमध्ये कार्य करते जेथे आम्हाला उत्तरे माहित नाहीत."
टीमने आपले निष्कर्ष प्रोसिडिंग्ज ऑफ द नॅशनल अॅकॅडमी ऑफ सायन्सेस या जर्नलमध्ये नोंदवले. मेंग, लिआंग आणि श्नेबल यांनी नेब्रास्काच्या रेबेका रोस्टन, यांग झांग, समीरा महबूब आणि पदवीपूर्व विद्यार्थी डॅनियल न्गु, शेंडोंग कृषी विद्यापीठातील व्हिजिटिंग स्कॉलर झिउरू दाई यांच्यासह अभ्यासाचे लेखक केले.
अधिक माहितीसाठी:
नेब्रास्का लिंकन विद्यापीठ
www.unl.edu