Bahçecilik ve peyzaj mimarlığı alanında doktora sonrası araştırmacı olan Rajeev Ranjan, tohum büyüklüğü ve meyve başına tohum gibi tarımsal açıdan önemli diğer özelliklerin olumsuz etkilenmemesini sağlamak için yüksek yağ içeriğine sahip genetiği değiştirilmiş Arabidopsis tohumlarını analiz etti. (Purdue Tarımsal İletişim/Tom Campbell)
Batı Lafayette, Ind. — Bitkilerde belirli bir özelliği geliştirmekle ilgilenen araştırmacılar, artık deney yapmadan özelliğin ifadesini kontrol eden genleri tanımlayabiliyor.
Purdue Üniversitesi Kranti Bharala ve 10 ortak yazar yayınlandı Yeni web tabanlı ayrıntılar Düzenleyici Gen Keşif Aracı Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri’nin 23 Nisan sayısında. Varala’nın ekonomik açıdan önemli tohum yağlarının biyosenteziyle ilgili sonuçlara ilişkin beklemede bir patenti var.
Purdue-USDA ekibi, farklı bitki türlerinde belirli bir özelliğin ifadesini kontrol eden transkripsiyon faktörleri adı verilen hangi spesifik genlerin hızlı bir şekilde belirlenmesi için halka açık büyük miktardaki verilerden öğrenen bir kaynak oluşturmak istedi.
Yardımcı doçent Varala, “Her çalışma bunlardan birkaçına odaklanıyor” dedi. Bahçıvanlık ve Peyzaj Mimarlığı. “Bizim öncülümüz, eğer bunu tek bir analize koyabilirsek, bu verileri küresel bir şey yaratmak için kullanabiliriz.”
Varala, Arabidopsis’in PNAS çalışması için model bitki olarak hizmet ettiğini “ancak bu yaklaşımın Arabidopsis’e özgü olmadığını” söyledi. “Yöntem mısır veri kümesiyle başlayabilecek kadar basit. İnsanların yaptığı binlerce gen ifadesi ölçümüne sahip olana kadar, üzerinde çalıştığınız ürün ne olursa olsun, pirinçle, domatesle yapabilirsiniz. Ve şimdi binlerce gen ekspresyonu çalışmamızın olduğu bir düzineden fazla tür var.”
Sistemin çalıştığını kanıtlamak için ekip, bitkilerin nasıl yağ ürettiğini ve tohumlarında depoladığını kontrol eden bir genetik yola odaklandı. Ekip, gıda ve biyoyakıt üretimindeki önemi ve 300’den fazla genin zaten dahil olduğu bilindiği için bu özelliği seçti.
Araştırmacılar, bir bitkinin transkripsiyon faktörlerini genetik olarak manipüle ederek, bitkinin tohumlarında üretilen yağ miktarını artırabilir veya azaltabilir.
Diğer araştırmacılar gibi Varala da yıllar boyunca amacının bir problemin çözümünde yer alan genleri ve düzenleyicileri belirlemek olduğu birçok proje yürüttü. Bu, dikkatli ve zaman alıcı testler anlamına gelir. Ancak elde edilen veriler istediği tüm cevapları vermiyordu. Bunu, ilgili 10 faktörden yalnızca üçünü bilerek bir denklem üzerinde çalışmaya benzetiyor.
“Denklemleri çözemezsin” dedi. Benzer şekilde Varala sıklıkla verilerin yanıtladığından daha fazla soru sormaya çalıştı. Bu ona, genetik doğrulama gerektiren adayların bir listesini elde etmek için ilgili tüm deneyleri yapmak zorunda kalmadan, soruları sormak için mümkün olan tüm verileri kullanan bir çerçeve geliştirme konusunda ilham verdi.
Varala, “İlk veri toplama aşamasını kısa devre yapmaya çalışıyorum” diyor, böylece bilim adamları genetik doğrulamayı yürütmeye odaklanabilirler. Ancak bunu yapmak için ekibinin 18.000 bireysel çalışmaya dayanan bir veri kümesiyle başlaması gerekiyordu.
Varala ve ekibi bu devasa veri setini Bell ve artık kullanımdan kaldırılmış Brown süper bilgisayarını kullanarak analiz etti. Rosen İleri Bilgi İşlem Merkezi. Ekip, diğer kişiler için süreci hızlandırmak amacıyla bir makine öğrenimi çerçevesi geliştirdi.
Bir kişinin bunu manuel olarak yapması imkansızdır. Bir grup bunu yapabilir ancak bu, grup üyelerinin verileri işleme biçimine ilişkin önyargıya neden olur. Makine öğrenimi sınıflandırıcıları önyargısız çalışır.
Yaklaşımın yeniliği, tüm organlardan veri çekmek yerine organa özgü veri kümelerine odaklanmasıdır. Bağımsız gen ağları bu organları (yapraklar, kökler, sürgünler, çiçekler ve tohumlar) kontrol eder.
“İnsanların yıllar boyunca tohumları test ettiğini tüm organları kullanmak yerine, kökte, yaprakta veya çiçekte değil de tohumda olup bitenleri öğrenmek için tüm verileri kullanabilir miyiz dedik? Bu, bakış açımızı çok iyileştirdi” dedi Varala.
Ekip, Arabidopsis’te tohum yağı biyosentezi sürecini hangi transkripsiyon faktörlerinin düzenleyeceğini tahmin etmek için çıkarım yöntemi adı verilen hesaplamalı bir yöntem kullandı.
“Tanıdığımız insanlar sistemimizin düzgün çalıştığını doğrulamamıza yardımcı oluyor. Hakkında bilmediklerimiz yeni biyoloji bulmak için iyi adaylar” dedi Varala. “Bu tamamen hesaplamaya dayalı yaklaşım, tohumlar, yağlar veya buna benzer şeyler hakkında hiçbir şey bilmiyor. Biz ona bir gen listesi veriyoruz ve genleri yeniden yaratıyor. herhangi bir biyolojik bağlamı bilmeden bilinenleri keşfetmeyi başardı.”
Purdue Bahçe Bitkileri ve Peyzaj Mimarlığı Bölümü’nde doktora sonrası araştırmacı olan baş yazar Rajeev Ranjan, ilk 20’nin diğer 12’sini aldı ve bu tahminlerin doğru olup olmadığını sordu. “Bu 12 hattın 11’i için mutant hatlar üretmeyi başardık. Bu 11 hattın beşi, tohumun yağ içeriğini değiştirdi” dedi. “Ayrıca, bir faktörün aşırı ekspresyonunun tohum yağı verimini %12’ye kadar arttırdığını da gösterdik.”
Bilinen sekiz düzenleyici gen ve sekiz yeni gen, çıkarım yönteminin en iyi 20 adaydan 13’ünü doğru şekilde tanımladığını gösterdi. Yöntemin gücü, yalnızca bir gen listesinden çalışarak, ilgilenilen özelliği hangisinin düzenleyeceğini yüksek doğrulukla tahmin edebilmesidir.
Dört yıllık projeden Varala, “Yapılması uzun zaman aldı çünkü uzun, karmaşık bir süreçti ve işe yarayacağının garantisi yoktu” dedi. “Daha önce bu ölçekte hiçbir girişimde bulunulmamıştı.”
Varala, buluşu, fikri mülkiyetini korumak için patent başvurusunda bulunan Purdue Innovates Teknoloji Ticarileştirme Ofisi’ne açıkladı.
Bu araştırma ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi tarafından desteklenmiştir.
Purdue Üniversitesi Hakkında
Purdue Üniversitesi, geniş ölçekte mükemmellik sergileyen bir kamu araştırma kurumudur. Amerika Birleşik Devletleri’ndeki en iyi 10 devlet üniversitesi ve en iyi dört kolejden ikisi arasında yer alan Purdue, bilgiyi rakipsiz bir kalite ve ölçekte keşfeder ve yayar. Yaklaşık 50.000’i West Lafayette kampüsünde olmak üzere, Purdue’de çeşitli yöntem ve yerlerde 105.000’den fazla öğrenci eğitim görmektedir. Uygun fiyat ve erişilebilirliğe önem veren Purdue’nin ana kampüsü, öğrenim ücretlerini art arda 13 yıl boyunca dondurdu. Purdue’nin bir sonraki dev adım olan Indianapolis’teki ilk devasa şehir kampüsü, yeni Mitchell E. Daniels, Jr. İşletme Fakültesi ve Purdue Computes — şu adreste: