観葉植物の所有者なら誰でも、植物が受ける水や日光の量が変化すると、植物に大きなストレスがかかる可能性があることを知っています。 死にかけている植物は、緑色の親指を持っている人に特定の失望をもたらします。 

しかし、植物をうまく育てて生計を立てており、その作物が数百または数千の人々に栄養を与える可能性がある農民にとって、失敗した植物相の荒廃ははるかに大きいです。 気候変動は世界的にますます予測不可能な気象パターンを引き起こす準備ができているため、作物は干ばつ、変動する気温、洪水、山火事などのより極端な環境条件にさらされる可能性があります。 

気候科学者と食料システム研究者は、気候変動が作物や世界の食料安全保障に与える可能性のあるストレスについて心配しています。 Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab（J-WAFS）が資金提供した野心的な学際的プロジェクトでは、MITの土木環境工学科のゲイル助教授であるDavid Des Maraisと、マサチューセッツ工科大学の電気工学およびコンピュータサイエンス学部とデータ、システム、および社会研究所は、ストレス下で植物遺伝子が互いにどのように通信するかを調査しています。 彼らの研究結果は、気候変動に対してより回復力のある植物を育種するために使用することができます。

困っている作物

環境ストレスに対する植物の反応を支配しているのは、生物の発達と行動を導く遺伝子調節ネットワーク、つまりGRNです。 GRNは、すべてが相互に通信する何千もの遺伝子とタンパク質で構成されている場合があります。 GRNは、特定の遺伝子に信号を送って発現をオンまたはオフにすることにより、特定の細胞、組織、または生物が環境の変化に応答するのを助けます。

一見マイナーまたは短期的な気象パターンの変化でさえ、作物の収穫量と食料安全保障に大きな影響を与える可能性があります。 植物の発達の重要な段階での水の不足のような環境の引き金は、遺伝子をオンまたはオフにする可能性があり、GRNの他の多くの人に影響を与える可能性があります。 たとえば、水がないと、光合成を可能にする遺伝子がオフになる可能性があります。 これは、光合成を調節する遺伝子に依存する遺伝子が沈黙し、サイクルが続くドミノ効果を生み出す可能性があります。 その結果、光合成が停止すると、植物は、病原体を繁殖または防御できなくなるなど、他の有害な副作用を経験する可能性があります。 連鎖反応は、大雨によって復活する前に植物を殺す可能性さえあります。

Des Maraisは、そのような状況でこれらの遺伝子が完全に遮断されるのを防ぐ方法があればいいのにと言っています。 そのためには、科学者は遺伝子ネットワークがさまざまな環境トリガーにどのように正確に反応するかをよりよく理解する必要があります。 この分子プロセスに光を当てることは、まさに彼がこの共同研究の取り組みで目指していることです。

分野を超えた複雑な問題の解決

GRNは非常に重要ですが、複雑で相互に関連しているため、調査が困難です。 通常、特定の遺伝子が他の遺伝子にどのように影響しているかを理解するには、生物学者はXNUMXつの遺伝子を沈黙させ、ネットワーク内の他の遺伝子がどのように反応するかを確認する必要があります。 

何年もの間、科学者たちは、GRNに含まれる大量の情報を合成して、「遺伝子間の正しい規制関係を特定する」ことができるアルゴリズムを熱望してきました。 バイオインフォマティクスと計算生物学の百科事典. 

「GRNは大きな因果関係ネットワークと見なすことができ、XNUMXつの遺伝子をサイレンシングすることが他のすべての遺伝子に与える影響を理解するには、遺伝子間の因果関係を理解する必要があります」とUhler氏は言います。 「これらはまさに私のグループが開発する種類のアルゴリズムです。」

Des MaraisとUhlerのプロジェクトは、これらの複雑な通信ネットワークを解明し、気候変動がすでに世界的に引き起こしている干ばつ、洪水、不安定な気象パターンの増加に対してより回復力のある作物を育てる方法を発見することを目的としています。

気候変動に加えて、2050年までに、世界は急成長する人口を養うために70パーセント多くの食料を要求するでしょう。 「フードシステムの課題は、懲戒またはトピック領域のサイロで個別に対処することはできません」と、J-WAFSの気候およびフードシステムの研究マネージャーであるグレッグシクストは述べています。 「それらは、フードシステムの相互接続された性質を反映するシステムコンテキストで対処する必要があります。」

Des Maraisの経歴は生物学にあり、Uhlerの経歴は統計学にあります。 「キャロラインとのデイブのプロジェクトは本質的に実験的なものでした」とJ-WAFSの事務局長であるレニーJ.ロビンスは言います。 「この種の探索的研究は、まさにJ-WAFSシード助成プログラムの目的です。」

遺伝子調節ネットワークの内部に入る

Des MaraisとUhlerの仕事は、MITのキャンパスの窓のない地下室で始まります。ここでは300人が遺伝的に同一です。 ブラキポディウム・ディスタキオン 植物は、温度制御された大きなチャンバーで育ちます。 30,000を超える遺伝子を含むこの植物は、小麦、大麦、トウモロコシ、キビなどの重要な穀物を研究するための優れたモデルです。 XNUMX週間、すべての植物は同じ温度、湿度、光、および水を受け取ります。 次に、半分はゆっくりと水から先細りになり、干ばつのような状態をシミュレートします。

強制干ばつの50日後、植物は明らかに苦しんでいます。 DesMaraisの博士課程の学生であるJieYunは、50の水和植物と100の乾燥植物から組織を取り出し、液体窒素で凍結して代謝活動を即座に停止し、微粉末に粉砕し、遺伝物質を化学的に分離します。 次に、XNUMXのサンプルすべてからの遺伝子が、通りの向かいのラボでシーケンスされます。

チームには、凍結された時点で30,000の植物のそれぞれで見つかった100の遺伝子と、そのコピーの数をリストしたスプレッドシートが残されています。 Uhlerの博士課程の学生であるAnastasiyaBelyaevaは、彼女が開発したコンピュータープログラムに大量のスプレッドシートを入力し、新しいアルゴリズムを実行します。 数時間以内に、グループは、どの遺伝子が別の条件よりもある条件で最もアクティブであったか、遺伝子がどのように通信していたか、そしてどの遺伝子が他の条件に変化を引き起こしていたかを確認できます。 

この方法論は、研究者が最終的に遺伝子経路を変更し、より弾力性のある作物を育種することを可能にする可能性のある重要な微妙な点を捉えています。 「植物を干ばつストレスにさらすと、標準的な反応があるわけではありません」とDesMarais氏は言います。 「多くのことが起こっています。 これは、この生理学的プロセスを上向きにし、これを下向きにし、これは以前は存在しなかったものであり、今では突然オンになります。」 

Des MaraisとUhlerの研究に加えて、J-WAFSは、MITの29つの学校すべてとMIT Schwarzman College ofComputingのXNUMXの学部の研究者から食品と水のプロジェクトに資金を提供しました。 J-WAFSシード助成金は通常、毎年XNUMX〜XNUMX件の新しいプロジェクトに資金を提供します。

「助成金は、新しいアイデアを促進し、[MITの研究者に]限界を押し上げるようなサポートを提供し、水や食料の問題にまだ適用されていない興味深いアイデアを持っている可能性のある教員を呼び込むことを目的としています。 」ロビンズは言います。 「これは、研究所全体の研究者が自分たちのアイデアを水と食物に適用するための手段です。」

アリソンゴールドは、MITのサイエンスライティング大学院プログラムの学生です。