解开基因组学可以做什么

经过近1万年的繁殖，将玉米从具有拇指大小的耳朵的热带作物带到今天的高产中西部作物。但在接下来的十年中，新的玉米品种可能会有更高水平的重要营养素，更好地处理干旱和极端温度，并更有效地提高产量。

这些变化将如何迅速发生?简短的回答是基因组学。当谈到科学进步时，基因组学是当今的流行语，但它究竟意味着什么呢?要回答这个问题，我们需要退一步。

大多数人都认识到“DNA”这个词 - 所有生物细胞中标志性的双螺旋。DNA构成了有机体的基因。所有有机体的基因一起构成一组指令，用于制作特定物种或品种的“配方”。这是基因组。

基因组学也是将基因与其控制的物理特征或过程联系起来的科学。基因组学也是生物体整个DNA环境的全景视图，不仅是DNA如何工作，还包括基因组如何与环境相互作用以及环境如何作用于基因。

科学家正在研究所有类型的基因组，以解锁特定特征的代码。农业研究服务(ARS)科学家正在使用基因组信息来解决基本的农业和环境问题。

有时，不是找出整个基因组，而是更容易识别与特定身体特征相关的称为“遗传标记”的DNA片段。遗传标记不一定是控制特性的基因的一部分，但它总是与特征相关。寻找遗传标记可能比对基因组测序更快，因为它只需要识别短DNA序列而不是数百万个基因及其功能。

在使用遗传标记和基因组学变得切实可行之前，试图在改良中繁殖的研究人员和育种者大多在黑暗中工作 - 或者最好使用间接物理证据。他们只能选择展示或“表达”所需特征的父母，然后希望这种特质会传递给下一代。通常，研究人员为每一到两次成功培育了数千种组合。

“基因组学的真正意义在于拥有强大的聚光灯，”ARS植物遗传资源，基因组学和遗传改良国家项目负责人Jack Okamuro解释道。“它突出了精确度的焦点，因此科学家可以更好地解决后代需要的基因。”

例如，ARS科学家发现了一种有价值基因的标记，这种基因可以使小麦对黑森州蝇产生抗性。为了确保将抗性性状成功培育到新的小麦植株中，研究人员只需要寻找遗传标记。这减少了传统育种过程的数年 - 如果不是几十年。

同样，当ARS蔬菜研究人员想要培育可以在温暖的温度下生长的西兰花时，他们在一组西兰花植物中确定了与耐热性相关的遗传标记。这些标记将加速耐热西兰花栽培品种的开发。

在玉米(玉米)的情况下，ARS遗传学家爱德华·巴克勒(Edward Buckler)已经开发了大量有关该作物40,000个基因的信息以及近230万个关于特定物理特性的遗传信息，如开花时间，产量和耐寒性。知识库不断扩大。

Buckler是一个团队的一员，该团队最近分析了美洲各地农民培育和种植的4,500种玉米品种，以找到让玉米适应不同纬度和海拔的基因。

“我们发现有一千个基因可以将玉米植物调整到特定的纬度和海拔高度，”Buckler说。“但我们发现了它们。”

“基因组学为我们提供了结合最佳遗传学的知识和精确性，无论是来自热带还是中西部，以获得具有完全特性的新品种来完成我们需要它做的工作 - 并且只需要一对夫妇进行组合几年，而不是十年，“他补充道。

大数据，大结果

对基因组进行测序会产生大量数据。随着技术产生基因组信息的能力不断增强，产生了越来越多的数据，需要新的方法来管理所有这些数据。

在昆虫基因组学的情况下，研究因数字而变得更加复杂。有数以百万计的昆虫和节肢动物物种，其中许多对人类和地球生态具有重要意义。昆虫为我们三分之一的粮食作物授粉，但有些可能对作物和牲畜造成相当大的破坏 - 对生产者造成巨大的收入损失。农药抗性也是一个不断发展的问题。了解昆虫害虫的生物学对于找到对抗它的方法而不伤害其他物种至关重要。

在害虫及其宿主的基因组中可以找到更好的解决这些问题的方法。然而，昆虫种类的多样性意味着更少的科学家和资源来解开他们的基因组秘密。开发和维护基因组数据库通常超出了那些较小科学界的财务和技术范围。

作为回答，由ARS国家项目负责人Kevin Hackett共同主持的国际科学家小组组织了i5k计划，对不少于5,000种重要昆虫物种的基因组进行测序和分析。该计划通过虚拟地汇集来自世界各地和来自不同学科的科学家来利用资源，例如分子生物学，遗传学，生理学，生物信息学和数据库管理。它促进了关于如何减少冗余研究工作并提供有关资金优先事项的反馈的讨论。

i5k昆虫基因组学的努力不仅仅是象牙塔的运动，而是在今天的头条新闻中取得进步。2017年夏季蜱数量的大幅飙升使得本季的媒体话题排名很高，而蜱也是与i5k相关的成功之一。当ARS昆虫生理学家Felix D. Guerrero和他的团队对牛蜱基因组进行测序时，它们大约是人类基因组大小的2.5倍，他们发现了他们现在用来开发针对牛蜱蜱的新疫苗的基因。这种疫苗可以保护牛免受蜱传播的几种致命疾病。

这些基因控制的蛋白质也正在由ARS昆虫学家Andrew Li进行测试，以控制携带导致莱姆病的细菌的蜱。李希望当这些蜱虫咬老鼠和兔子给予蛋白质时，蜱会死亡。白足小鼠和兔子是蜱生命周期早期阶段的宿主。

与i5K计划并行，ARS的国家农业图书馆(NAL)组织了“i5k Workspace @ NAL”，以提供一个共同的在线区域，研究人员可以在这里共同研究基因组，使用国际标准化的基因组学软件拼凑数据。这确保了对数据的最广泛访问以及基因组数据库的更长期稳定性。

“科学家和其他人 - 将i5k Workspace @ NAL视为中立的基础。我们已经能够将各个小组聚集在一起开展广泛的国际合作，从事共同的数据集工作，这些工作对于较小的数据库来说将更加困难，如果不是不可能的话只有一个物种，每次有人退休或改变位置时都有消失的风险，“项目联合负责人之一的计算生物学家Christopher Childers解释道。

i5k Workspace @ NAL成功的最近一个例子是臭虫基因组的出版。2017年4月，来自美国16个州的7个国家和机构的60多位科学家，包括ARS，共同发表了对臭虫基因组中14,220个基因的分析。该研究为控制臭虫的新方法奠定了基础。

今天的基因组学让科学家们“玩扑克”，更多的牌面朝上，而不是投注到完全未知的牌。这大大增加了解决当今最紧迫的农业问题的成功几率。