Xiaoxi Meng na Zhikai Liang walipopendekeza wazo hilo kwa mara ya kwanza miaka michache iliyopita, James Schnable alikuwa na shaka. Kusema kidogo.
"'Vema, unaweza kujaribu, lakini sidhani kwamba itafanya kazi," profesa mshiriki wa kilimo na kilimo cha bustani alikumbuka kuwaambia Meng na Liang, watafiti wa baada ya udaktari katika maabara ya Schnable katika Chuo Kikuu cha Nebraska-Lincoln.
Alikuwa na makosa na, kwa mtazamo wa nyuma, hakuwa na furaha zaidi kuwa. Walakini wakati huo, Schnable alikuwa na sababu nzuri ya kuongeza nyusi. Wazo la wawili hao - kwamba mfuatano wa DNA wa mazao yanayostahimili baridi ambayo husalia kwenye baridi kali inaweza kusaidia kutabiri jinsi mimea ya mwituni na ngumu zaidi inavyostahimili hali ya kuganda - ilionekana kuwa ya ujasiri. Kusema kidogo. Bado, ilikuwa pendekezo la hatari ndogo, la malipo ya juu. Kwa sababu ikiwa Meng na Liang wangeweza kuifanya ifanye kazi, inaweza tu kuharakisha juhudi za kufanya mimea inayostahimili baridi kidogo au hata zaidi kama wenzao wanaostahimili baridi.
Baadhi ya mazao muhimu zaidi duniani yalikuzwa katika maeneo ya tropiki - mahindi kusini mwa Meksiko, mtama katika Afrika mashariki - ambayo hayakuweka shinikizo la kuchagua ili kuendeleza ulinzi dhidi ya baridi au kuganda. Mazao hayo yanapopandwa katika hali ya hewa kali, unyeti wao kwa baridi huweka mipaka ya jinsi ya kupandwa mapema na ni kwa muda gani inaweza kuvunwa. Misimu mifupi ya ukuaji ni sawa na muda mchache wa usanisinuru, na kusababisha mazao madogo na chakula kidogo kwa idadi ya watu duniani kote kinachotarajiwa kukaribia watu bilioni 10 ifikapo 2050.
Hali ya hewa ya baridi
Aina za mimea ambazo tayari hukua katika hali ya hewa ya baridi, wakati huo huo, zilibadilisha mbinu za kustahimili baridi. Wanaweza kusanidi upya utando wao wa seli ili kudumisha ukwasi katika halijoto ya chini, kuzuia utando kuganda na kuvunjika. Wanaweza kuongeza vijisehemu vya sukari kwenye vimiminika vilivyo ndani na kando ya utando huo, wakipunguza kiwango cha kuganda kwa njia sawa na vile chumvi inavyofanya kwenye kinjia. Wanaweza hata kutoa protini ambazo huziba fuwele ndogo za barafu kabla ya fuwele hizo kukua na kuwa wingi wa seli.
Ulinzi wote huo huanzia katika kiwango cha maumbile, ingawa sio tu katika mfuatano wa DNA yenyewe. Mimea inapoanza kuganda, inaweza kujibu kwa kuzima au kuwasha jeni fulani - kuzuia au kuruhusu miongozo yao ya maagizo ya kijeni kunukuliwa na kutekelezwa. Basi, kujua ni jeni gani ambazo mimea inayostahimili baridi huzima na kuwasha licha ya halijoto ya kuganda, kunaweza kuwasaidia watafiti kufahamu misingi ya ngome zao na, hatimaye, kutengeneza ulinzi kama huo kuwa mimea inayostahimili baridi.
Lakini Schnable pia alijua, kama Meng na Liang walivyojua, kwamba hata jeni inayofanana mara nyingi hujibu kwa njia tofauti kwa baridi kwenye spishi za mimea, hata zinazohusiana kwa karibu. Ambayo ina maana, frustratingly, kwamba kuelewa jinsi jeni hujibu baridi katika aina moja huelekea kuwaambia wanasayansi mimea karibu hakuna hitimisho kuhusu tabia ya jeni katika nyingine. Kutotabirika huko, kumezuia juhudi za kujifunza sheria zinazoamuru ni nini kitakachozima au kuamsha jeni.
"Sisi ni kweli, mbaya sana katika kuelewa kwa nini jeni kuzima na kuwasha," Schnable alisema.
Mimea ya mahindi
Kwa kukosa kitabu cha sheria, watafiti waligeukia kujifunza kwa mashine, aina ya akili ya bandia ambayo kimsingi inaweza kuandika yake. Walibuni haswa muundo wa uainishaji unaosimamiwa - aina ambayo inaweza, inapowasilishwa kwa picha za kutosha zilizo na lebo, tuseme, paka na sio paka, hatimaye kujifunza kutofautisha wa zamani na wa pili. Timu hapo awali iliwasilisha muundo wake yenyewe na rundo kubwa la jeni zilizopangwa kutoka kwa mahindi, pamoja na viwango vya wastani vya shughuli za jeni hizo wakati mmea ulikuwa chini ya viwango vya baridi. Mfano huo pia ulilishwa "kila kipengele tunachoweza kufikiria" kwa kila jeni la mahindi, Schnable alisema, ikiwa ni pamoja na urefu wake, uthabiti wake na tofauti yoyote kati yake na matoleo mengine yanayopatikana katika mimea mingine ya mahindi.
Baadaye, watafiti walijaribu modeli yao kwa kuificha kipande kimoja tu cha habari katika kikundi kidogo cha jeni hizo: ikiwa walijibu mwanzo wa joto la kuganda, au ikiwa hawakujibu. Kwa kuchanganua vipengele vya jeni ambayo ilikuwa imeambiwa kuwa ni sikivu au isiyoitikia, kielelezo kilitambua ni michanganyiko gani ya vipengele hivyo ilikuwa muhimu kwa kila moja - na kisha ikafaulu kuweka jeni nyingi zilizosalia, za kisanduku cha fumbo katika kategoria zao sahihi.
Ilikuwa mwanzo mzuri, bila shaka. Lakini mtihani halisi ulibakia: Je, mwanamitindo huyo angeweza kuchukua mafunzo aliyopokea katika spishi moja na kuyatumia kwa nyingine?
Jibu lilikuwa ndio hakika. Baada ya kufunzwa na data ya DNA kutoka kwa spishi moja tu kati ya sita - mahindi, mtama, mtama wa lulu, mtama wa proso, mtama wa mbweha au nyasi - modeli hiyo kwa ujumla iliweza kutabiri ni jeni gani kati ya hizo tano ambazo zingejibu kugandishwa. Kwa mshangao wa Schnable, modeli hiyo ilisimama hata ilipofunzwa juu ya spishi zinazostahimili baridi - mahindi, mtama, lulu au mtama wa proso - lakini ikiwa na jukumu la kutabiri majibu ya jeni katika mtama au mtama unaostahimili baridi.
Model
"Miundo tuliyofunza ilifanya kazi karibu katika spishi zote kana kwamba ulikuwa na data katika spishi moja na ulitumia data ya ndani kufanya utabiri wa spishi zilezile," alisema, dokezo la kustaajabisha katika sauti yake miezi kadhaa baadaye. "Kwa kweli nisingetabiri hivyo."
"Wazo la kwamba tunaweza kulisha habari hii yote kwenye kompyuta, na inaweza kujua angalau sheria kadhaa za kufanya utabiri kuwa kazi, bado ni ya kushangaza kwangu."
Utabiri huo unaweza kuwa muhimu sana wakati wa kuzingatia mbadala. Kwa takriban muongo mmoja, wanabiolojia wa mimea wameweza kupima idadi ya molekuli za RNA - zile zinazohusika na kunakili na kusafirisha maagizo ya DNA - zinazozalishwa na kila jeni katika mmea hai. Lakini kulinganisha jinsi usemi huo wa jeni unavyoitikia baridi katika vielelezo hai, na katika spishi nyingi, ni kazi kubwa, Schnable alisema. Hiyo ni kweli hasa kwa mimea ya mwituni, ambayo mbegu zake zinaweza kuwa vigumu kupata. Mbegu hizo haziwezi kuota inapotarajiwa, ikiwa hata hivyo, na zinaweza kuchukua miaka kukua. Hata kama watafanya hivyo, kila mmea unaotokana lazima ulimwe katika mazingira yanayofanana, yaliyodhibitiwa na kusomwa katika hatua sawa ya ukuaji.
Aina zaidi
Hayo yote yanaleta changamoto kubwa ya kukuza vielelezo vya kutosha vya mwitu, kutoka kwa spishi za porini za kutosha, ili kuiga na kutathmini kitakwimu majibu ya jeni zao kwa baridi.
"Ikiwa tunataka kweli kujua ni jeni gani ni muhimu - ambazo zina jukumu katika jinsi mmea hubadilika na baridi - tunahitaji kuangalia zaidi ya spishi mbili," Schnable alisema. "Tunataka kuangalia kundi la spishi zinazostahimili baridi na kundi ambalo ni nyeti, na kuangalia mifumo: "Jini hilihili hujibu kila wakati katika moja na hajibu kwa lingine."
"Hilo linaanza kuwa jaribio kubwa na la gharama kubwa. Ingekuwa nzuri sana ikiwa tunaweza tu kufanya utabiri kutoka kwa mlolongo wa DNA wa spishi hizo badala ya, sema, kuchukua spishi 20 na kujaribu kuzipata zote kwa hatua sawa, kuziweka zote kupitia matibabu sawa ya mafadhaiko, na kupima kiasi cha RNA kinachozalishwa kwa kila jeni katika kila spishi."
Kwa bahati nzuri kwa mfano huo, watafiti tayari wamepanga jenomu za zaidi ya spishi 300 za mimea. Juhudi zinazoendelea za kimataifa zinaweza kusukuma idadi hiyo kufikia 10,000 katika miaka michache ijayo.
Ingawa mtindo huo tayari umezidi matarajio yake ya kawaida, Schnable alisema hatua inayofuata itahusisha "kujishawishi sisi wenyewe na watu wengine" kuwa inafanya kazi vizuri kama ilivyo sasa. Katika kila kisa cha majaribio hadi leo, watafiti wameuliza modeli kuwaambia kile walichojua tayari. Jaribio la mwisho, alisema, litakuja wakati wanadamu na mashine wataanza kutoka mwanzo.
"Jaribio kubwa linalofuata ambalo nadhani tunahitaji kufanya ni kufanya utabiri juu ya spishi ambazo hatuna data yoyote," alisema. "Kuwashawishi watu kuwa inafanya kazi katika hali ambazo hata sisi hatujui majibu."
Timu hiyo iliripoti matokeo yake katika jarida la Kesi za Chuo cha Kitaifa cha Sayansi. Meng, Liang na Schnable waliidhinisha utafiti huo na Rebecca Roston wa Nebraska, Yang Zhang, Samira Mahboub na mwanafunzi wa shahada ya kwanza Daniel Ngu, pamoja na Xiuru Dai, mwanazuoni mgeni kutoka Chuo Kikuu cha Kilimo cha Shandong.
Kwa habari zaidi:
Chuo Kikuu cha Nebraska Lincoln
www.unl.edu