Het duurde bijna 10, 000 jaar fokken om maïs van een tropisch gewas met duimgrote oren naar het hoogproductieve Midwest-gewas van vandaag te brengen. Maar alleen al in het volgende decennium, nieuwe maïsvariëteiten zullen waarschijnlijk hogere niveaus van vitale voedingsstoffen bevatten, beter omgaan met droogte en extreme temperaturen, en efficiënter te produceren.

Hoe zullen deze veranderingen zo snel gaan? Het korte antwoord is genomics. Genomics is het modewoord van vandaag als het gaat om wetenschappelijke vooruitgang, maar wat betekent het eigenlijk?

Om die vraag te beantwoorden, we moeten een paar stappen terug doen.

De meeste mensen herkennen de term 'DNA' - de iconische dubbele helix in de cellen van alle levende wezens. DNA vormt de genen van een organisme. Alle genen van een organisme vormen samen een reeks instructies, een "recept" voor het maken van die specifieke soort of variëteit. Dit is het genoom.

Genomics is ook de wetenschap van het verbinden van genen met de fysieke eigenschappen of processen die ze beheersen. Genomics is ook het panoramische beeld van het gehele DNA-landschap van een organisme, niet alleen hoe DNA werkt, maar ook hoe het genoom interageert met zijn omgeving en hoe de omgeving inwerkt op de genen.

Wetenschappers bestuderen alle soorten genomen om de codes voor specifieke eigenschappen te ontgrendelen. Wetenschappers van de Agricultural Research Service (ARS) gebruiken genomische informatie om fundamentele landbouw- en milieuproblemen op te lossen.

Soms, in plaats van een heel genoom uit te zoeken, het is gemakkelijker om stukken DNA te identificeren die bekend staan ​​als "genetische markers" die geassocieerd zijn met bepaalde fysieke eigenschappen. Een genetische marker maakt niet noodzakelijkerwijs deel uit van het gen dat een eigenschap controleert, maar het wordt altijd geassocieerd met de eigenschap. Het vinden van een genetische marker kan sneller zijn dan het sequencen van een genoom, omdat het alleen de identificatie van een korte DNA-sequentie vereist in plaats van miljoenen genen en hun functies.

Voordat het gebruik van genetische markers en genomica praktisch werd, onderzoekers en fokkers die verbeteringen probeerden te kweken, werkten meestal in het donker - of werkten op zijn best met indirect fysiek bewijs. Ze konden alleen ouders selecteren die exposeerden, of "uitgedrukt, " de gewenste eigenschap en dan hopen dat de eigenschap zou worden doorgegeven aan de volgende generatie. Gewoonlijk, onderzoekers fokten duizenden combinaties voor elke één of twee successen.

"Wat genomics echt betekent, is het hebben van een krachtige schijnwerper, " legt Jack Okamuro uit, ARS nationaal programmaleider voor plantgenetische hulpbronnen, genomica, en genetische verbetering. "Het schijnt een schijnwerper van precisie, zodat een wetenschapper een veel betere oplossing kan krijgen voor welke genen in het nageslacht moeten zitten."

Bijvoorbeeld, ARS-wetenschappers hebben markers gevonden voor een waardevol gen dat tarweresistentie geeft tegen de Hessische vlieg. Om ervoor te zorgen dat de resistentie-eigenschap succesvol wordt veredeld in nieuwe tarweplanten, onderzoekers hoeven alleen maar te zoeken naar de genetische markers. Dit scheelt jaren, zo niet tientallen jaren, van het conventionele fokken.

evenzo, toen ARS-groenteonderzoekers broccoli wilden kweken die bij warmere temperaturen konden worden gekweekt, ze identificeerden genetische markers die verband houden met hitteresistentie in een testgroep van broccoliplanten. Deze markers zullen de ontwikkeling van hittetolerante broccolicultivars versnellen.

In het geval van maïs (maïs), ARS-geneticus Edward Buckler heeft een encyclopedische hoeveelheid informatie ontwikkeld over de 40, 000 genen en de bijna 2,3 miljoen stukjes genetische informatie over specifieke fysieke eigenschappen, zoals bloeitijd, opbrengst, en koude tolerantie. En de kennisbasis wordt steeds groter.

Buckler maakt deel uit van een team dat onlangs 4, 500 maïsvariëteiten gefokt en gekweekt door boeren in heel Amerika om de genen te vinden waarmee maïs zich kan aanpassen aan verschillende breedtegraden en hoogtes.

"We ontdekten dat er duizend genen zijn die een maïsplant afstemmen op een bepaalde breedtegraad en hoogte, ' zegt Buckler. 'Maar we hebben ze gevonden.'

"Genomics biedt ons de kennis en precisie om de beste genetica te combineren, of het nu uit de tropen of het middenwesten komt, om een ​​nieuw ras te krijgen met precies de eigenschappen om het werk te doen waarvoor we het nodig hebben - en om het combineren in slechts een paar jaar te doen, in plaats van over een decennium, " hij voegt toe.

Grote gegevens, Grote resultaten

Het sequencen van een genoom levert een enorme hoeveelheid data op. Naarmate het vermogen van technologie om genomische informatie te produceren toeneemt, er worden steeds meer gegevens gegenereerd, en er zijn nieuwe benaderingen nodig om dit allemaal te beheren.

In het geval van insectengenomica, onderzoek wordt verder bemoeilijkt door pure aantallen. Er zijn miljoenen soorten insecten en geleedpotigen, velen van hen zijn van groot belang voor de mens en voor de ecologie van de aarde. Insecten bestuiven een derde van onze voedselgewassen, toch kunnen sommige aanzienlijke schade aan gewassen en vee veroorzaken - en grote inkomstenverliezen voor producenten. Pesticidenresistentie is ook een evoluerend probleem. Het begrijpen van de biologie van een insectenplaag is essentieel om manieren te vinden om het te bestrijden zonder andere soorten te schaden.

Betere oplossingen voor deze problemen zijn te vinden in het genoom van plagen en hun gastheren. Nog, de enorme diversiteit aan insectensoorten betekent minder wetenschappers en middelen om hun genomische geheimen te ontrafelen. Het ontwikkelen en onderhouden van genomische databases valt vaak buiten het financiële en technische bereik van die kleinere wetenschappelijke gemeenschappen.

als antwoord, een internationale groep wetenschappers, mede-voorgezeten door ARS nationaal programmaleider Kevin Hackett, organiseerde het i5k-initiatief om de genomen van niet minder dan 5 te sequensen en te analyseren, 000 belangrijke insectensoorten. Het initiatief maakt gebruik van middelen door wetenschappers van over de hele wereld en uit verschillende disciplines virtueel samen te brengen, zoals moleculaire biologie, genetica, fysiologie, bio-informatica, en databasebeheer. Het heeft geleid tot discussies over het verminderen van overbodige onderzoeksinspanningen en het geven van feedback over financieringsprioriteiten.

Verre van ivoren toren oefeningen, i5k-inspanningen op het gebied van insectengenomica leiden tot vooruitgang die in de krantenkoppen van vandaag speelt. Een grote piek in het aantal teken in de zomer van 2017 zette teken hoog op de seizoenslijst van media-onderwerpen, en teken behoren ook tot de successen van i5k. Toen ARS-insectenfysioloog Felix D. Guerrero en zijn team de sequentie van het genoom van de veeteek in kaart brachten, wat ongeveer 2,5 keer zo groot is als het menselijk genoom, ze identificeerden genen die ze nu gebruiken om een ​​nieuw vaccin tegen runderkoortsteken te ontwikkelen. Dit vaccin kan vee beschermen tegen verschillende dodelijke ziekten die door de teek worden verspreid.

De eiwitten die deze genen controleren, worden ook getest door ARS-entomoloog Andrew Li voor de bestrijding van teken die bacteriën herbergen die de ziekte van Lyme veroorzaken. Li hoopt dat wanneer deze teken muizen en konijnen bijten, gezien de eiwitten, de teken zullen sterven. Witvoetmuizen en konijnen zijn gastheren voor vroege stadia in de levenscyclus van de teken.

Parallel aan het i5K-initiatief, ARS's National Agricultural Library (NAL) heeft de "i5k Workspace@NAL" georganiseerd om een ​​gemeenschappelijk online gebied te bieden waar onderzoekers kunnen samenwerken aan genomen, het samenstellen van gegevens met behulp van internationaal gestandaardiseerde genomics-software. Dit zorgt voor de breedst mogelijke toegang tot de gegevens en meer stabiliteit op lange termijn voor genoomdatabases.

"Wetenschappers - en anderen - zien i5k Workspace@NAL als neutraal terrein. We hebben groepen kunnen samenbrengen in brede internationale samenwerkingen die werken aan gemeenschappelijke datasets, inspanningen die moeilijker zouden zijn, zo niet onmogelijk, met kleinere databases, elk gericht op een enkele soort, met het risico te verdwijnen telkens wanneer iemand met pensioen gaat of van functie verandert, " legt computationeel bioloog Christopher Childers uit, een van de projectleiders.

Een recent voorbeeld van het succes van i5k Workspace@NAL is de publicatie van het bedwantsgenoom. In april 2017, meer dan 60 wetenschappers uit 7 landen en instellingen in 16 Amerikaanse staten, inclusief ARS, gezamenlijk een analyse gepubliceerd van 14, 220 genen in het genoom van de bedwants. 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.