जब Xiaoxi Meng और Zhikai Liang ने पहली बार कुछ साल पहले इस विचार का प्रस्ताव रखा था, तो जेम्स स्चेनबल को संदेह हुआ था। कम से कम कहने के लिए।
"ठीक है, आप कोशिश कर सकते हैं, लेकिन मुझे नहीं लगता कि यह काम करने जा रहा है," एग्रोनॉमी और बागवानी के एसोसिएट प्रोफेसर ने मेंग और लियांग से कहा, फिर नेबेकास-लिंकन विश्वविद्यालय में श्नाइबल की प्रयोगशाला में पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ताओं ने कहा।
वह गलत था, और अधर्म में, कभी खुश नहीं था। फिर भी, Schnable के पास एक भौं बढ़ाने के लिए उचित कारण था। दोनों का विचार - कि ठंड के प्रति संवेदनशील फसलों के डीएनए अनुक्रम जो एक कठिन ठंढ के लिए आत्मसमर्पण करते हैं, यह अनुमान लगाने में मदद कर सकते हैं कि कैसे जंगल, कठोर पौधे ठंड की स्थिति को सहन करते हैं - दुस्साहसी लग रहा था। कम से कम कहने के लिए। फिर भी, यह एक कम-जोखिम, उच्च-प्रतिफल प्रस्ताव था। क्योंकि अगर मेंग और लियांग को काम करने के लिए मिल सकता है, तो यह ठंड-संवेदनशील फसलों को थोड़ा या बहुत अधिक अपने शीत-प्रतिरोधी समकक्षों की तरह बनाने के लिए फास्ट-ट्रैक प्रयास हो सकता है।
दुनिया की कुछ सबसे महत्वपूर्ण फ़सलें उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में - दक्षिणी मैक्सिको में मकई, पूर्वी अफ्रीका में शर्बत - के रूप में पालतू थीं, जो ठंड या ठंड से बचाव को विकसित करने के लिए उन पर कोई चुनिंदा दबाव नहीं डालती थीं। जब उन फसलों को कठोर जलवायु में उगाया जाता है, तो ठंड के प्रति उनकी संवेदनशीलता यह कहती है कि वे कितनी जल्दी लगाए जा सकते हैं और कितनी देर से कटाई की जा सकती है। प्रकाश संश्लेषण के लिए कम बढ़ते समय के बराबर छोटे मौसम, जिसके परिणामस्वरूप छोटी पैदावार होती है और वैश्विक आबादी के लिए कम भोजन 10 तक 2050 बिलियन लोगों से संपर्क करने की उम्मीद करता है।
ठंड बढ़ जाती है
पौधों की प्रजातियां जो पहले से ही ठंडे मौसम में बढ़ती हैं, इस बीच, ठंड को सहन करने के लिए विकसित चालें। वे अपने सेलुलर झिल्ली को कम तापमान पर तरलता बनाए रखने के लिए पुन: कॉन्फ़िगर कर सकते हैं, झिल्ली को ठंड और फ्रैक्चर से रोक सकते हैं। वे उन झिल्लियों में और उसके आस-पास के तरल पदार्थों में शर्करा के डैश को जोड़ सकते हैं, जिससे उनका फ्रीज़िंग पॉइंट उसी तरह से कम हो जाता है जैसे नमक एक फुटपाथ का होता है। वे उन प्रोटीनों का उत्पादन भी कर सकते हैं जो उन क्रिस्टलों को सेल-बस्टिंग मास में विकसित करने से पहले बर्फ के क्रिस्टल को चिकना करते हैं।
उन सभी गढ़ों की उत्पत्ति आनुवंशिक स्तर पर होती है, हालांकि केवल डीएनए के अनुक्रम में नहीं। जब पौधे जमने लगते हैं, तो वे अनिवार्य रूप से कुछ जीनों को बंद करके या जवाब दे सकते हैं - अपने आनुवांशिक अनुदेश मैनुअल को रोकने या बाहर ले जाने की अनुमति देते हैं। यह जानकर कि ठंड सहने वाले पौधे किस जीन को बंद कर देते हैं और ठंड के तापमान पर, फिर, शोधकर्ताओं को उनके किलेबंदी की बहुत नींव को समझने में मदद कर सकते हैं और अंततः, इंजीनियर ठंड के प्रति संवेदनशील फसलों में इसी तरह का बचाव करते हैं।
लेकिन श्नेबल भी जानता था, जैसा कि मेंग और लियांग ने किया था, यहां तक कि एक समान जीन अक्सर पौधों की प्रजातियों में ठंड से अलग प्रतिक्रिया करता है, यहां तक कि निकट संबंधी भी। जिसका अर्थ है, निराशा की बात है, यह समझ कि एक जीन ठंड में कैसे प्रतिक्रिया करता है एक प्रजाति वैज्ञानिकों को बताता है कि दूसरे में जीन के व्यवहार के बारे में निर्णायक कुछ भी नहीं है। बदले में, अप्रत्याशितता ने नियमों को सीखने के प्रयासों में बाधा उत्पन्न की है, जो जीन को निष्क्रिय या सक्रिय कर देगा।
"हम अभी भी वास्तव में, वास्तव में यह समझने में बहुत खराब हैं कि जीन क्यों बंद और चालू होते हैं," श्नेबल ने कहा।
मकई के पौधे
एक नियम पुस्तिका को खोना, शोधकर्ताओं ने मशीन लर्निंग को बदल दिया, कृत्रिम बुद्धिमत्ता का एक रूप जो अनिवार्य रूप से अपना लिख सकता है। उन्होंने विशेष रूप से एक पर्यवेक्षित वर्गीकरण मॉडल विकसित किया - जो कि, जब, कहे गए बिल्लियों और नहीं की पर्याप्त लेबल छवियों के साथ प्रस्तुत किया जा सकता है, अंततः बाद वाले से पूर्व को अलग करना सीखता है। टीम ने शुरू में मकई से अनुक्रमित जीन के एक विशाल ढेर के साथ अपना मॉडल प्रस्तुत किया, साथ ही उन जीनों की औसत गतिविधि स्तरों के साथ जब पौधे ठंड तापमान के अधीन था। मॉडल को प्रत्येक मकई जीन के लिए "हर सुविधा जिसे हम सोच सकते थे" भी खिलाया गया था, Schnable ने कहा, इसकी लंबाई, इसकी स्थिरता और इसके और इसके अन्य संस्करणों के बीच किसी भी अंतर सहित अन्य मकई पौधों में पाया गया।
बाद में, शोधकर्ताओं ने उन जीनों के एक सबसेट में सूचना के सिर्फ एक टुकड़े को छिपाकर उनके मॉडल का परीक्षण किया: चाहे वे ठंड के तापमान की शुरुआत में जवाब देते थे, या नहीं। जिन जीनों की विशेषताओं के बारे में बताया गया था, वे या तो उत्तरदायी थे या गैर-प्रतिक्रियाशील थे, मॉडल ने विचार किया कि उन विशेषताओं में से कौन सा संयोजन प्रत्येक के लिए प्रासंगिक था - और फिर शेष, रहस्य-बॉक्स जीन के अधिकांश हिस्से को उनकी सही श्रेणियों में सफलतापूर्वक स्थान दिया।
यह एक आशाजनक शुरुआत थी, इसमें कोई शक नहीं। लेकिन असली परीक्षा बनी रही: क्या मॉडल एक प्रजाति में प्राप्त प्रशिक्षण ले सकता था और दूसरे को लागू कर सकता था?
जवाब एक निश्चित हाँ था। छह में से केवल एक प्रजाति - कॉर्न, सोरघम, मोती बाजरा, प्रोसो बाजरा, फोक्सटेल बाजरा या स्विचग्रास से डीएनए डेटा के साथ प्रशिक्षित होने के बाद - मॉडल आमतौर पर यह अनुमान लगाने में सक्षम था कि अन्य पांच में से कौन सा जीन ठंड का जवाब देगा। Schnable के आश्चर्य के लिए, मॉडल तब भी आयोजित किया गया था जब उसे ठंड-संवेदनशील प्रजातियों - मकई, शर्बत, मोती या प्रोज़ो बाजरा पर प्रशिक्षित किया गया था - लेकिन ठंड-सहिष्णु फोक्सटेल बाजरा या स्विचगैस में जीन प्रतिक्रियाओं की भविष्यवाणी करने का काम सौंपा गया था।
आदर्श
"जिन मॉडलों को हमने प्रशिक्षित किया है वे लगभग प्रजातियों में काम करते हैं जैसे कि वास्तव में आपके पास एक प्रजाति में डेटा था और उसी प्रजाति में भविष्यवाणियां करने के लिए आंतरिक डेटा का उपयोग किया था," उन्होंने कहा, आश्चर्य की बात है कि उनकी आवाज महीनों के बाद में। "मैंने वास्तव में इसकी भविष्यवाणी नहीं की होगी।"
"यह विचार कि हम इस जानकारी को केवल एक कंप्यूटर में फीड कर सकते हैं, और यह भविष्यवाणी करने के लिए कम से कम कुछ नियमों का पता लगा सकता है कि काम करते हैं, अभी भी मेरे लिए अद्भुत है।"
वैकल्पिक होने पर वे भविष्यवाणियां विशेष रूप से उपयोगी साबित हो सकती हैं। लगभग एक दशक तक, प्लांट जीवविज्ञानी वास्तव में आरएनए अणुओं की संख्या को मापने में सक्षम रहे हैं - जो डीएनए निर्देशों को स्थानांतरित करने और परिवहन के लिए जिम्मेदार हैं - एक जीवित पौधे में प्रत्येक जीन द्वारा उत्पादित। लेकिन यह तुलना करना कि यह जीन अभिव्यक्ति जीवित नमूनों में ठंड का जवाब कैसे देती है, और कई प्रजातियों में, एक श्रमसाध्य उपक्रम है, Schnable ने कहा। यह जंगली पौधों के साथ विशेष रूप से सच है, जिनके बीज को हासिल करना भी मुश्किल हो सकता है। उन बीजों का अंकुरित होने की उम्मीद नहीं है, अगर हो सकता है, और बढ़ने में कई साल लग सकते हैं। यहां तक कि अगर वे करते हैं, तो प्रत्येक परिणामी पौधे को एक समान, नियंत्रित वातावरण में खेती की जाती है और एक ही विकास चरण में अध्ययन किया जाता है।
अधिक प्रजातियां
यह सभी पर्याप्त जंगली प्रजातियों से, पर्याप्त जंगली प्रजातियों से, प्रतिकृति और सांख्यिकीय रूप से ठंड के लिए अपने जीन की प्रतिक्रियाओं का मूल्यांकन करने के लिए एक बड़ी चुनौती को पैदा करता है।
"अगर हम वास्तव में यह जानना चाहते हैं कि कौन से जीन महत्वपूर्ण हैं - जो वास्तव में एक भूमिका निभाते हैं कि पौधे ठंड में कैसे बदल जाता है - तो हमें दो से अधिक प्रजातियों को देखना होगा।" "हम उन प्रजातियों के समूह को देखना चाहते हैं जो ठंड के प्रति सहिष्णु हैं और एक समूह जो संवेदनशील हैं, और पैटर्न को देखते हैं:" यह एक ही जीन हमेशा एक में प्रतिक्रिया करता है और हमेशा दूसरे में प्रतिक्रिया नहीं करता है। "
“वह वास्तव में बड़ा और महंगा प्रयोग बनने लगता है। यह वास्तव में अच्छा होगा यदि हम सिर्फ 20 प्रजातियों को लेने और एक ही चरण में उन सभी को प्राप्त करने की कोशिश कर रहे हैं, कहने के बजाय उन प्रजातियों के डीएनए अनुक्रमों से भविष्यवाणियां कर सकते हैं, उन सभी को सटीक एक ही तनाव उपचार के माध्यम से डाल सकते हैं, और प्रत्येक प्रजाति में प्रत्येक जीन के लिए उत्पादित आरएनए की मात्रा को मापें। "
मॉडल के लिए सौभाग्य से, शोधकर्ताओं ने पहले से ही 300 से अधिक पौधों की प्रजातियों के जीनोम का अनुक्रम किया है। एक चालू अंतर्राष्ट्रीय प्रयास अगले कुछ वर्षों में उस संख्या को 10,000 तक बढ़ा सकता है।
हालांकि मॉडल ने पहले ही अपनी मामूली उम्मीदों को बेतहाशा पार कर लिया है, लेकिन Schnable ने कहा कि अगला कदम फिर भी "खुद को और अन्य लोगों को समझाने" में शामिल होगा कि यह अभी तक काम करता है। आज तक के प्रत्येक परीक्षण मामले में, शोधकर्ताओं ने मॉडल से पूछा कि वे उन्हें बताएं कि वे पहले से ही क्या जानते थे। अंतिम परीक्षण, उन्होंने कहा, तब आएगा जब मनुष्य और मशीन दोनों खरोंच से शुरू हो रहे हैं।
उन्होंने कहा, "अगला बड़ा प्रयोग मुझे लगता है कि हमें एक ऐसी प्रजाति पर भविष्यवाणियां करने की जरूरत है, जहां हमारे पास कोई डेटा नहीं है।" "लोगों को यह समझाने के लिए कि यह वास्तव में उन मामलों में काम करता है जहां हमें जवाब भी नहीं पता है।"
टीम ने नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज के जर्नल प्रोसीडिंग्स में अपने निष्कर्षों की सूचना दी। मेंग, लियांग और शेंकेबल ने नेब्रास्का के रेबेका रोस्टन, यांग झांग, समीरा महबूब और स्नातक छात्र डैनियल नग के साथ, शेडोंग कृषि विश्वविद्यालय के एक विद्वान विद्वान शियुरू दाई के साथ अध्ययन किया।
अधिक जानकारी के लिए:
नेब्रास्का लिंकन विश्वविद्यालय
www.unl.edu