Quan Xiaoxi Meng i Zhikai Liang van proposar la idea per primera vegada fa un parell d’anys, James Schnable era escèptic. Com a mínim.
"Bé, podeu provar-ho, però crec que no funcionarà", va recordar el professor associat d'agronomia i horticultura a Meng i Liang, investigadors postdoctorals del laboratori de Schnable de la Universitat de Nebraska – Lincoln.
S’equivocava i, en retrospectiva, mai més feliç de ser-ho. No obstant això, en aquell moment, Schnable tenia raons justes per aixecar una cella. La idea del duo, que les seqüències d’ADN de cultius sensibles al fred que es rendeixen a una gelada dura, podrien ajudar a predir com les plantes més salvatges i més dures toleren les condicions de congelació. Com a mínim. Tot i això, era una proposta de baix risc i recompensa. Perquè si Meng i Liang aconseguissin que funcionés, podrien accelerar els esforços per fer que els cultius sensibles al fred siguin una mica o fins i tot molt més semblants als seus homòlegs resistents al fred.
Alguns dels cultius més importants del món es van domesticar a les regions tropicals (blat de moro al sud de Mèxic, sorgo a l’Àfrica oriental) que no van exercir cap pressió selectiva perquè evolucionessin les defenses contra el fred o la congelació. Quan aquests cultius es conreen en climes més durs, la seva sensibilitat al fred limita el temps que es pot plantar i el temps que es pot collir. Les estacions de cultiu més curtes equivalen a menys temps per a la fotosíntesi, el que resulta en rendiments menors i menys menjar per a una població mundial que s’espera que s’acosti als 10 milions de persones el 2050.
Climes freds
Mentrestant, les espècies de plantes que ja creixen en climes més freds han evolucionat per suportar el fred. Poden reconfigurar les seves membranes cel·lulars per mantenir la liquiditat a temperatures més baixes, evitant que les membranes es congelin i es fracturin. Poden afegir rajos de sucres als líquids que hi ha a les membranes i al seu voltant, reduint el seu punt de congelació de la mateixa manera que la sal que fa a la vorera. Fins i tot poden produir proteïnes que ofeguen cristalls de gel minúsculs abans que aquests cristalls creixin en masses que rebenten cèl·lules.
Totes aquestes defenses s’originen a nivell genètic, encara que no només en les seqüències del mateix ADN. Quan les plantes comencen a congelar-se, poden respondre desactivant o activant determinats gens, evitant o permetent la transcripció i la realització dels seus manuals d’instruccions genètiques. Saber quins són els gens tolerants al fred que s’apaguen i s’encenen davant les temperatures gèlides, pot ajudar els investigadors a entendre els fonaments de les seves fortificacions i, en última instància, a dissenyar defenses similars en cultius sensibles al fred.
Però Schnable també sabia, tal com ho feien Meng i Liang, que fins i tot un gen idèntic sovint respon de manera diferent al fred entre les espècies de plantes, fins i tot les relacionades estretament. El que significa, frustrantment, que entendre com un gen respon al fred en una espècie tendeix a dir als científics de les plantes gairebé res concloent sobre el comportament del gen en una altra. Aquesta imprevisibilitat, al seu torn, ha obstaculitzat els esforços per aprendre les regles que dicten el que desactivarà o activarà els gens.
"Encara som molt, molt malament en entendre per què els gens s'apaguen i s'encenen", va dir Schnable.
Plantes de blat de moro
Mancats d’un llibre de regles, els investigadors van recórrer a l’aprenentatge automàtic, una forma d’intel·ligència artificial que bàsicament pot escriure la seva. Van desenvolupar específicament un model de classificació supervisat: el tipus que pot, quan es presenta amb prou imatges etiquetades de, per exemple, gats i no-gats, aprendre a distingir els primers dels segons. L’equip va presentar inicialment el seu propi model amb una enorme pila de gens seqüenciats del blat de moro, juntament amb els nivells mitjans d’activitat d’aquests gens quan la planta estava sotmesa a temperatures gèlides. El model també es va alimentar "amb totes les característiques que podíem pensar" per a cada gen del blat de moro, va dir Schnable, inclosa la seva longitud, la seva estabilitat i qualsevol diferència entre ell i altres versions que es troben en altres plantes de blat de moro.
Més tard, els investigadors van provar el seu model ocultant-ne només una informació en un subconjunt d’aquests gens: si van respondre a l’aparició de temperatures gèlides o si no. En analitzar les característiques dels gens que s’havia dit que eren sensibles o no, el model va distingir quines combinacions d’aquestes característiques eren rellevants per a cadascun i, després, va incloure amb èxit la majoria dels gens de caixa misteriosa restants en les seves categories correctes.
Va ser un començament prometedor, sens dubte. Però la prova real es va mantenir: el model podria adoptar la formació que havia rebut en una espècie i aplicar-la a una altra?
La resposta va ser un sí definitiu. Després d’haver estat entrenat amb dades d’ADN de només una de les sis espècies (blat de moro, sorgo, mill de perles, mill proso, mill de cua de guineu o herba canvia), el model va ser capaç de predir quins gens de qualsevol de les altres cinc respondrien a la congelació. Per a sorpresa de Schnable, el model es va mantenir fins i tot quan es va entrenar en una espècie sensible al fred (blat de moro, sorgo, perla o mill proso), però va encarregar-se de predir les respostes gèniques en el mill o en canya de guineu tolerant al fred.
model
"Els models que vam entrenar van funcionar gairebé tan bé entre espècies com si en realitat tinguessin dades en una espècie i utilitzessin les dades internes per fer prediccions en aquesta mateixa espècie", va dir, un indici de meravella que persistia a la seva veu mesos després. "Realment no ho hauria predit".
"La idea que només podem alimentar tota aquesta informació en un ordinador i que pugui esbrinar almenys algunes regles per fer prediccions que funcionin, és encara sorprenent per a mi".
Aquestes prediccions podrien resultar especialment útils a l’hora de considerar l’alternativa. Durant aproximadament una dècada, els biòlegs de plantes han estat capaços de mesurar el nombre de molècules d'ARN, les responsables de la transcripció i el transport d'instruccions d'ADN, produïdes per tots els gens d'una planta viva. Però comparar com aquesta expressió gènica respon al fred en exemplars vius i en diverses espècies, és una empresa minuciosa, va dir Schnable. Això és particularment cert amb les plantes silvestres, les llavors de les quals poden ser difícils d’adquirir. És possible que aquestes llavors no germinin quan s’espera, i poden trigar anys a créixer. Fins i tot si ho fan, totes les plantes resultants s’han de cultivar en un entorn idèntic i controlat i estudiar-les en la mateixa fase de desenvolupament.
Més espècies
Tot plegat suposa un gran repte per fer créixer prou exemplars salvatges, a partir de prou espècies salvatges, per replicar i avaluar estadísticament les respostes dels seus gens al fred.
"Si realment volem conèixer quins gens són importants (que en realitat juguen un paper en la manera com la planta s'adapta al fred), hem de mirar més de dues espècies", va dir Schnable. "Volem examinar un grup d'espècies tolerants al fred i un grup sensible, i analitzar els patrons:" Aquest mateix gen sempre respon en una i no respon sempre en l'altra ".
“Això comença a convertir-se en un experiment realment gran i car. Estaria molt bé que poguéssim fer prediccions a partir de les seqüències d’ADN d’aquestes espècies en lloc de, per exemple, prendre 20 espècies i intentar que totes estiguessin en la mateixa etapa, aplicar-les a tots amb els mateixos tractaments d’estrès i mesura la quantitat d'ARN produït per a cada gen de cada espècie ".
Afortunadament per al model, els investigadors ja han seqüenciat els genomes de més de 300 espècies de plantes. Un esforç internacional continu podria augmentar aquesta xifra fins als 10,000 en els propers anys.
Tot i que el model ja ha superat amb escreix les seves modestes expectatives, Schnable va dir que el següent pas implicarà "convèncer tant a nosaltres mateixos com a la resta de persones" que funciona tan bé com fins ara. En tots els casos de prova fins ara, els investigadors han demanat al model que els expliqui el que ja sabien. Va dir que la prova definitiva arribarà quan tant els humans com la màquina comencin de zero.
"El següent gran experiment que crec que hem de fer és fer prediccions sobre una espècie en què no tinguem dades", va dir. "Convèncer a la gent que realment funciona en casos en què fins i tot nosaltres no sabem les respostes".
L'equip va informar de les seves conclusions a la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang i Schnable van ser autors de l’estudi amb Rebecca Roston, Nebraska, Yang Zhang, Samira Mahboub i l’alumne Daniel Ngu, juntament amb Xiuru Dai, un estudiós visitant de la Universitat Agrícola de Shandong.
Per a més informació:
Universitat de Nebraska Lincoln
www.unl.edu