Afdækning af, hvad genomik kan gøre

Det tog næsten 10, 000 års avl for at tage majs fra en tropisk afgrøde med tommelfingerstore ører til den højtydende Midtvest-afgrøde i dag. Men i blot det næste årti, nye majssorter vil sandsynligvis have højere niveauer af vitale næringsstoffer, håndtere tørke og ekstreme temperaturer bedre, og producere udbytte mere effektivt.

Hvordan vil disse ændringer ske så hurtigt? Det korte svar er genomik. Genomics er nutidens buzzword, når det kommer til videnskabelige fremskridt, men hvad betyder det egentlig?

For at besvare det spørgsmål, vi er nødt til at tage et par skridt tilbage.

De fleste mennesker genkender udtrykket "DNA" - den ikoniske dobbelthelix i cellerne i alle levende ting. DNA udgør en organismes gener. Alle en organismes gener udgør tilsammen et sæt instruktioner, en "opskrift" på at lave den pågældende art eller sort. Dette er genomet.

Genomics er også videnskaben om at forbinde gener med de fysiske egenskaber eller processer, de kontrollerer. Genomics er også panoramabilledet af en organismes hele DNA-landskab, ikke kun hvordan DNA fungerer, men også hvordan genomet interagerer med sit miljø, og hvordan miljøet virker på generne.

Forskere studerer alle typer genomer for at låse op for koderne til specifikke egenskaber. Agricultural Research Service (ARS) forskere bruger genomisk information til at løse grundlæggende landbrugs- og miljøproblemer.

Sommetider, i stedet for at finde ud af et helt genom, det er lettere at identificere strækninger af DNA kendt som "genetiske markører", der er forbundet med særlige fysiske træk. En genetisk markør er ikke nødvendigvis en del af genet, der kontrollerer en egenskab, men det er altid forbundet med egenskaben. At finde en genetisk markør kan være hurtigere end at sekventere et genom, da det kun kræver at identificere en kort DNA-sekvens i stedet for millioner af gener og deres funktioner.

Før brug af genetiske markører og genomik blev praktisk, forskere og opdrættere, der forsøgte at avle i forbedringer, arbejdede for det meste i mørke - eller i bedste fald arbejdede med indirekte fysiske beviser. De kunne kun vælge forældre, der udstillede, eller "udtrykt, " den ønskede egenskab og så håbe, at egenskaben ville overføres til næste generation. Normalt, forskere fremavlet tusindvis af kombinationer for hver en eller to succeser.

"Hvad genomik egentlig betyder, er at have et stærkt søgelys, " forklarer Jack Okamuro, ARS national programleder for plantegenetiske ressourcer, genomik, og genetisk forbedring. "Det sætter fokus på præcision, så en videnskabsmand kan få en meget bedre løsning på, hvilke gener der skal være i afkommet."

For eksempel, ARS-forskere fandt markører for et værdifuldt gen, der giver hvederesistens til hessisk flue. For at sikre, at resistensegenskaben med succes forædles til nye hvedeplanter, forskere behøver kun at lede efter de genetiske markører. Dette skærer år - hvis ikke årtier - fra processen med konventionel avl.

Tilsvarende da ARS grøntsagsforskere ønskede at avle broccoli, der kunne dyrkes i varmere temperaturer, de identificerede genetiske markører forbundet med varmeresistens i en testgruppe af broccoliplanter. Disse markører vil fremskynde udviklingen af ​​varmetolerante broccolikultivarer.

I tilfælde af majs (majs), ARS genetiker Edward Buckler har udviklet en encyklopædisk mængde information om afgrødens 40, 000 gener og de næsten 2,3 millioner stykker genetisk information om specifikke fysiske egenskaber, såsom blomstringstid, udbytte, og kuldetolerance. Og videnbasen udvides fortsat.

Buckler er en del af et team, der for nylig analyserede 4, 500 majssorter opdrættet og dyrket af landmænd over hele Amerika for at finde generne, der lader majs tilpasse sig forskellige breddegrader og højder.

"Vi fandt ud af, at der er tusinde gener, der tilpasser en majsplante til en bestemt breddegrad og højde, " siger Buckler. "Men vi fandt dem."

"Genomics giver os viden og præcision til at kombinere den bedste genetik, enten fra troperne eller midtvesten, at få en ny sort med præcis de egenskaber, der skal til for at udføre det arbejde, vi har brug for det til at udføre - og til at udføre kombinationen på blot et par år, snarere end om et årti, " tilføjer han.

Big Data, Store resultater

Sekvensering af et genom afføder en enorm mængde data. Efterhånden som teknologiens magt til at producere genomisk information vokser, stadig flere data genereres, og nye tilgange er nødvendige for at håndtere det hele.

I tilfælde af insektgenomik, forskning kompliceres yderligere af store tal. Der er millioner af insekt- og leddyrarter, mange af dem med stor betydning for mennesker og for Jordens økologi. Insekter bestøver en tredjedel af vores madafgrøder, alligevel kan nogle forårsage betydelig skade på afgrøder og husdyr - og store indtægtstab for producenterne. Pesticidresistens er også et problem under udvikling. At forstå et skadedyrs biologi er afgørende for at finde måder at bekæmpe det på uden at skade andre arter.

Bedre løsninger på disse problemer skal findes i genomet af skadedyr og deres værter. Endnu, den store mangfoldighed af insektarter betyder færre videnskabsmænd og ressourcer til at låse op for deres genomiske hemmeligheder. Udvikling og vedligeholdelse af genomiske databaser er ofte uden for disse mindre videnskabelige samfunds økonomiske og tekniske rækkevidde.

Som svar, en international gruppe af videnskabsmænd, medformand af ARS nationale programleder Kevin Hackett, organiserede i5k-initiativet til at sekvensere og analysere genomerne af ikke mindre end 5, 000 vigtige insektarter. Initiativet udnytter ressourcer ved virtuelt at samle videnskabsfolk fra hele verden og fra forskellige discipliner, såsom molekylærbiologi, genetik, fysiologi, bioinformatik, og databasestyring. Det har fremmet diskussioner om, hvordan man kan reducere overflødig forskningsindsats og give feedback om finansieringsprioriteter.

Langt fra at være øvelser i elfenbenstårn, i5k-insect genomics-indsatsen fører til fremskridt, der spiller lige ind i dagens overskrifter. En stor stigning i afkrydsningstallet i sommeren 2017 satte kryds højt på sæsonens liste over medieemner, og flåter er også blandt succeserne forbundet med i5k. Da ARS-insektfysiolog Felix D. Guerrero og hans team sekventerede kvægflåtens genom, som er omkring 2,5 gange størrelsen af ​​det menneskelige genom, de identificerede gener, som de nu bruger til at udvikle en ny vaccine mod kvægfeberflåter. Denne vaccine kan beskytte kvæg mod flere dødelige sygdomme, der spredes af skovflåten.

De proteiner, som disse gener kontrollerer, bliver også testet af ARS-entomolog Andrew Li for kontrol af flåter, der huser bakterier, der forårsager borreliose. Li håber, at når disse flåter bider mus og kaniner, der får proteinerne, flåterne vil dø. Hvidfodede mus og kaniner er værter for tidlige stadier i skovflåtens livscyklus.

Parallelt med i5K-initiativet, ARS's National Agricultural Library (NAL) har organiseret "i5k Workspace@NAL" for at give et fælles onlineområde, hvor forskere kan arbejde sammen om genomer, samle data ved hjælp af internationalt standardiseret genomics-software. Dette sikrer den bredest mulige adgang til dataene og mere langsigtet stabilitet for genomdatabaser.

"Forskere – og andre – ser i5k Workspace@NAL som neutral grund. Vi har været i stand til at samle grupper til brede internationale samarbejder, der arbejder på fælles datasæt, indsats, der ville være sværere, hvis ikke umuligt, med mindre databaser, hver fokuserede kun på en enkelt art, risikerer at forsvinde hver gang nogen går på pension eller skifter stilling, " forklarer beregningsbiolog Christopher Childers, en af ​​projektlederne.

Et nyligt eksempel på i5k Workspace@NAL's succes er offentliggørelsen af ​​væggelusgenomet. I april 2017 mere end 60 videnskabsmænd fra 7 lande og institutioner i 16 amerikanske stater, inklusive ARS, offentliggjorde samlet en analyse af 14, 220 gener i væggelusens genom. This research has laid the foundation for new methods for controlling bed bugs.

Genomics today lets scientists "play poker" with more cards turned face up instead of betting into the complete unknown. And that greatly increases the odds of success in solving today's most pressing agricultural problems.