Ci sono voluti quasi 10, 000 anni di allevamento per portare il mais da una coltura tropicale con orecchie grandi quanto un pollice all'odierno raccolto ad alto rendimento del Midwest. Ma solo nel decennio successivo, le nuove varietà di mais avranno probabilmente livelli più elevati di nutrienti vitali, gestire meglio la siccità e le temperature estreme, e produrre raccolti in modo più efficiente.

In che modo questi cambiamenti avverranno così rapidamente? La risposta breve è genomica. Genomica è la parola d'ordine di oggi quando si parla di progresso scientifico, Ma che cosa significa veramente?

Per rispondere a questa domanda, dobbiamo fare qualche passo indietro.

La maggior parte delle persone riconosce il termine "DNA", l'iconica doppia elica nelle cellule di tutti gli esseri viventi. Il DNA costituisce i geni di un organismo. Tutti i geni di un organismo insieme comprendono una serie di istruzioni, una "ricetta" per realizzare quella particolare specie o varietà. Questo è il genoma.

La genomica è anche la scienza che connette i geni ai tratti fisici o ai processi che controllano. La genomica è anche la vista panoramica dell'intero panorama del DNA di un organismo, non solo come funziona il DNA, ma anche come il genoma interagisce con il suo ambiente e come l'ambiente agisce sui geni.

Gli scienziati stanno studiando tutti i tipi di genomi per sbloccare i codici di tratti specifici. Gli scienziati dell'Agricultural Research Service (ARS) stanno utilizzando le informazioni genomiche per risolvere i problemi fondamentali dell'agricoltura e dell'ambiente.

Qualche volta, piuttosto che scoprire un intero genoma, è più facile identificare tratti di DNA noti come "marcatori genetici" associati a particolari tratti fisici. Un marcatore genetico non fa necessariamente parte del gene che controlla un tratto, ma è sempre associato al tratto. Trovare un marcatore genetico può essere più veloce del sequenziamento di un genoma, poiché richiede solo l'identificazione di una breve sequenza di DNA piuttosto che milioni di geni e le loro funzioni.

Prima che l'uso di marcatori genetici e genomica diventasse pratico, i ricercatori e gli allevatori che cercavano di allevare miglioramenti lavoravano per lo più al buio, o nella migliore delle ipotesi lavoravano con prove fisiche indirette. Potevano selezionare solo i genitori che esibivano, o "espresso, " il tratto desiderato e poi sperare che il tratto passi alla generazione successiva. Di solito, i ricercatori hanno allevato migliaia di combinazioni per ogni uno o due successi.

"Ciò che significa veramente genomica è avere un potente riflettore, " spiega Jack Okamuro, Leader del programma nazionale ARS per le risorse genetiche vegetali, genomica, e miglioramento genetico. "Fa brillare i riflettori della precisione in modo che uno scienziato possa ottenere una soluzione molto migliore su quali geni devono essere nella prole".

Per esempio, Gli scienziati dell'ARS hanno trovato marcatori per un gene prezioso che conferisce resistenza al grano alla mosca dell'Assia. Per garantire che il tratto di resistenza venga allevato con successo in nuove piante di grano, i ricercatori devono solo cercare i marcatori genetici. Questo taglia anni, se non decenni, dal processo di allevamento convenzionale.

Allo stesso modo, quando i ricercatori di ARS vegetali volevano allevare broccoli che potessero essere coltivati ​​a temperature più calde, hanno identificato marcatori genetici associati alla resistenza al calore in un gruppo di prova di piante di broccoli. Questi marcatori accelereranno lo sviluppo di cultivar di broccoli resistenti al calore.

Nel caso del mais (mais), Il genetista dell'ARS Edward Buckler ha sviluppato una quantità enciclopedica di informazioni sui 40 del raccolto, 000 geni e i quasi 2,3 milioni di informazioni genetiche su tratti fisici specifici, come il tempo di fioritura, prodotto, e tolleranza al freddo. E la base di conoscenza continua ad espandersi.

Buckler fa parte di un team che ha recentemente analizzato 4, 500 varietà di mais allevate e coltivate da agricoltori in tutte le Americhe per trovare i geni che consentono al mais di adattarsi a diverse latitudini e altitudini.

"Abbiamo scoperto che ci sono mille geni che sintonizzano una pianta di mais a una particolare latitudine ed altitudine, " dice Buckler. "Ma li abbiamo trovati."

"La genomica ci fornisce la conoscenza e la precisione per combinare la migliore genetica, sia dai Tropici che dal Midwest, per ottenere una nuova varietà con esattamente le caratteristiche per fare il lavoro di cui abbiamo bisogno e per fare la combinazione in appena un paio d'anni, piuttosto che in un decennio, " Aggiunge.

Grandi dati, Grandi risultati

Il sequenziamento di un genoma genera un'enorme quantità di dati. Man mano che cresce il potere della tecnologia di produrre informazioni genomiche, vengono generati sempre più dati, e sono necessari nuovi approcci per gestirlo tutto.

Nel caso della genomica degli insetti, la ricerca è ulteriormente complicata dai numeri. Ci sono milioni di specie di insetti e artropodi, molti di loro con una profonda importanza per le persone e per l'ecologia della Terra. Gli insetti impollinano un terzo delle nostre colture alimentari, tuttavia alcuni possono causare danni considerevoli alle colture e al bestiame e grandi perdite di entrate per i produttori. Anche la resistenza ai pesticidi è un problema in evoluzione. Comprendere la biologia di un insetto è essenziale per trovare modi per combatterlo senza danneggiare altre specie.

Le migliori soluzioni a questi problemi si trovano nei genomi dei parassiti e dei loro ospiti. Ancora, la grande diversità delle specie di insetti significa meno scienziati e risorse per svelare i loro segreti genomici. Lo sviluppo e la manutenzione di database genomici è spesso al di là della portata finanziaria e tecnica di quelle comunità scientifiche più piccole.

In risposta, un gruppo internazionale di scienziati, co-presieduto dal leader del programma nazionale ARS Kevin Hackett, ha organizzato l'iniziativa i5k per sequenziare e analizzare i genomi di non meno di 5, 000 importanti specie di insetti. L'iniziativa sfrutta le risorse riunendo virtualmente scienziati di tutto il mondo e di diverse discipline, come la biologia molecolare, genetica, fisiologia, bioinformatica, e gestione della banca dati. Ha promosso discussioni su come ridurre gli sforzi di ricerca ridondanti e fornire feedback sulle priorità di finanziamento.

Lungi dall'essere esercizi di torre d'avorio, Gli sforzi di i5k sulla genomica degli insetti stanno portando a progressi che entrano direttamente nei titoli dei giornali di oggi. Un grande picco nel numero di tick nell'estate del 2017 ha messo i tick in cima alla lista degli argomenti dei media della stagione, e le zecche sono anche tra i successi associati a i5k. Quando il fisiologo degli insetti ARS Felix D. Guerrero e il suo team hanno sequenziato il genoma della zecca del bestiame, che è circa 2,5 volte la dimensione del genoma umano, hanno identificato i geni che stanno ora utilizzando per sviluppare un nuovo vaccino contro le zecche della febbre bovina. Questo vaccino può proteggere i bovini da diverse malattie mortali diffuse dalla zecca.

Le proteine ​​controllate da questi geni vengono anche testate dall'entomologo dell'ARS Andrew Li per il controllo delle zecche che ospitano batteri che causano la malattia di Lyme. Li spera che quando queste zecche mordono topi e conigli, date le proteine, le zecche moriranno. Topi e conigli dai piedi bianchi sono ospiti per le prime fasi del ciclo di vita delle zecche.

Parallelamente all'iniziativa i5K, La National Agricultural Library (NAL) di ARS ha organizzato "i5k Workspace@NAL" per fornire un'area online comune in cui i ricercatori possono lavorare insieme sui genomi, mettendo insieme i dati utilizzando un software di genomica standardizzato a livello internazionale. Ciò garantisce l'accesso più ampio possibile ai dati e una maggiore stabilità a lungo termine per i database del genoma.

"Gli scienziati, e altri, vedono i5k Workspace@NAL come un terreno neutrale. Siamo stati in grado di riunire gruppi in ampie collaborazioni internazionali che lavorano su set di dati comuni, sforzi che sarebbero più difficili, se non impossibile, con database più piccoli, ciascuno focalizzato solo su una singola specie, rischia di scomparire ogni volta che qualcuno si ritira o cambia posizione, " spiega il biologo computazionale Christopher Childers, one of the project co-heads.

A recent example of the i5k Workspace@NAL's success is the publication of the bed bug genome. In April 2017, more than 60 scientists from 7 countries and institutions in 16 U.S. states, including ARS, collectively published an analysis of 14, 220 genes in the bed bug's genome. 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.