經(jīng)過(guò)將近1萬(wàn)年的繁殖，將玉米從具有拇指大小的耳朵的熱帶作物帶到今天的高產(chǎn)中西部作物。但在接下來(lái)的十年中，新的玉米品種可能會(huì)有更高水平的重要營(yíng)養(yǎng)素，更好地處理干旱和極端溫度，并更有效地提高產(chǎn)量。

這些變化將如何迅速發(fā)生?簡(jiǎn)短的回答是基因組學(xué)。當(dāng)談到科學(xué)進(jìn)步時(shí)，基因組學(xué)是當(dāng)今的流行詞，但它究竟意味著什么呢?要回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要退一步。大多數(shù)人都認(rèn)識(shí)到“DNA”這個(gè)詞 - 所有生物細(xì)胞中標(biāo)志性的雙螺旋。DNA構(gòu)成了有機(jī)體的基因。所有生物體的基因一起構(gòu)成一組指令，用于制作特定物種或品種的“配方”。這是基因組。

基因組學(xué)也是將基因與其控制的物理特征或過(guò)程聯(lián)系起來(lái)的科學(xué)。基因組學(xué)也是生物體整個(gè)DNA環(huán)境的全景視圖，不僅是DNA如何工作，還包括基因組如何與環(huán)境相互作用以及環(huán)境如何作用于基因?？茖W(xué)家正在研究所有類(lèi)型的基因組，以解釋特定特征的代碼。農(nóng)業(yè)研究服務(wù)(ARS)科學(xué)家正在使用基因組信息來(lái)解決基本的農(nóng)業(yè)和環(huán)境問(wèn)題。

有時(shí)，不是確定整個(gè)基因組，而是更容易識(shí)別與特定身體特征相關(guān)的被稱為“ 遺傳標(biāo)記 ” 的DNA片段。遺傳標(biāo)記不一定是控制特性的基因的一部分，但它總是與特性相關(guān)。尋找遺傳標(biāo)記可能比基因組測(cè)序更快，因?yàn)樗恍枰R(shí)別短DNA序列而不是數(shù)百萬(wàn)基因及其功能。

在使用遺傳標(biāo)記和基因組學(xué)變得切實(shí)可行之前，試圖在改良中進(jìn)行繁殖的研究人員和繁殖者大多在黑暗中工作 - 或者最好使用間接物理證據(jù)。他們只能選擇展示或“表達(dá)”所需特征的父母，然后希望這種特質(zhì)能夠傳遞給下一代。通常，研究人員為每一到兩次成功培育了數(shù)千種組合。

“基因組學(xué)的真正意義在于擁有強(qiáng)大的聚光燈，”ARS植物遺傳資源，基因組學(xué)和遺傳改良國(guó)家項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Jack Okamuro解釋道。“它突出了精確度的焦點(diǎn)，因此科學(xué)家可以更好地解決后代需要的基因。”

例如，ARS科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種有價(jià)值基因的標(biāo)記，這種基因可以使小麥對(duì)黑森州蠅產(chǎn)生抗性。為了確保將抗性性狀成功培育到新的小麥植株中，研究人員只需要尋找遺傳標(biāo)記。這減少了傳統(tǒng)育種過(guò)程的數(shù)年 - 如果不是幾十年。

同樣，當(dāng)ARS蔬菜研究人員想要培育可以在溫暖的溫度下生長(zhǎng)的西蘭花時(shí)，他們?cè)谝唤M西蘭花植物的試驗(yàn)組中發(fā)現(xiàn)了與耐熱性相關(guān)的遺傳標(biāo)記。這些標(biāo)記將加速耐熱花椰菜栽培品種的開(kāi)發(fā)。

在玉米(玉米)的情況下，ARS遺傳學(xué)家愛(ài)德華·巴克勒(Edward Buckler)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大量有關(guān)該作物40,000個(gè)基因和近230萬(wàn)個(gè)遺傳信息的信息，這些信息涉及特定的物理特性，如開(kāi)花時(shí)間，產(chǎn)量和耐寒性。知識(shí)庫(kù)繼續(xù)擴(kuò)大。

Buckler是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的一部分，該團(tuán)隊(duì)最近分析了美洲各地農(nóng)民種植和種植的4,500種玉米品種，以找到讓玉米適應(yīng)不同緯度和海拔的基因。

“我們發(fā)現(xiàn)有一千個(gè)基因可以將玉米植物調(diào)整到特定的緯度和海拔高度，”巴克勒說(shuō)。“但我們發(fā)現(xiàn)了它們。”

“基因組學(xué)為我們提供了結(jié)合最佳遺傳學(xué)的知識(shí)和精確度，無(wú)論是來(lái)自熱帶還是中西部，以獲得具有完全特性的新品種來(lái)完成我們需要它做的工作 - 并且僅僅在一對(duì)夫婦中進(jìn)行組合幾年，而不是十年，“他補(bǔ)充道。

大數(shù)據(jù)，大結(jié)果

對(duì)基因組進(jìn)行測(cè)序會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。隨著技術(shù)產(chǎn)生基因組信息的能力不斷增長(zhǎng)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，需要新的方法來(lái)管理所有數(shù)據(jù)。

在昆蟲(chóng)基因組學(xué)的情況下，研究因數(shù)字而變得更加復(fù)雜。有數(shù)百萬(wàn)種昆蟲(chóng)和節(jié)肢動(dòng)物物種，其中許多對(duì)人類(lèi)和地球生態(tài)具有重要意義。昆蟲(chóng)為我們?nèi)种坏募Z食作物授粉，但有些可能會(huì)對(duì)作物和牲畜造成相當(dāng)大的破壞，并對(duì)生產(chǎn)者造成巨大的收入損失。農(nóng)藥抗性也是一個(gè)不斷發(fā)展的問(wèn)題。了解昆蟲(chóng)害蟲(chóng)的生物學(xué)對(duì)于找到對(duì)抗它的方法而不傷害其他物種至關(guān)重要。

在害蟲(chóng)及其寄主的基因組中可以找到更好的解決這些問(wèn)題的方法。然而，昆蟲(chóng)種類(lèi)的多樣性意味著更少的科學(xué)家和資源來(lái)解開(kāi)他們的基因組秘密。開(kāi)發(fā)和維護(hù)基因組數(shù)據(jù)庫(kù)往往超出了那些較小的科學(xué)界的財(cái)務(wù)和技術(shù)范圍。

作為回答，由ARS國(guó)家項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Kevin Hackett共同主持的國(guó)際科學(xué)家小組組織了i5k計(jì)劃，對(duì)不少于5,000種重要昆蟲(chóng)物種的基因組進(jìn)行測(cè)序和分析。該計(jì)劃通過(guò)虛擬地匯集來(lái)自世界各地和不同學(xué)科的科學(xué)家來(lái)利用資源，例如分子生物學(xué)，遺傳學(xué)，生理學(xué)，生物信息學(xué)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理。它促進(jìn)了關(guān)于如何減少冗余研究工作并提供有關(guān)資金優(yōu)先事項(xiàng)的反饋的討論。

i5k昆蟲(chóng)基因組學(xué)的努力遠(yuǎn)非象牙塔運(yùn)動(dòng)，正在引領(lǐng)著今天的頭條新聞。2017年夏季蜱蟲(chóng)數(shù)量的大幅增長(zhǎng)使得該季節(jié)的媒體話題排名很高，而蜱也是與i5k相關(guān)的成功之一。當(dāng)ARS昆蟲(chóng)生理學(xué)家Felix D. Guerrero和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)牛蜱基因組進(jìn)行測(cè)序時(shí)，它們大約是人類(lèi)基因組大小的2.5倍，他們確定了他們現(xiàn)在用來(lái)開(kāi)發(fā)針對(duì)牛蜱蜱的新疫苗的基因。這種疫苗可以保護(hù)牛免受蜱傳播的幾種致命疾病。

這些基因控制的蛋白質(zhì)也正在由ARS昆蟲(chóng)學(xué)家Andrew Li進(jìn)行測(cè)試，以控制攜帶導(dǎo)致萊姆病的細(xì)菌的蜱。李希望當(dāng)這些蜱叮咬小鼠和兔子給予蛋白質(zhì)時(shí)，蜱會(huì)死亡。白足小鼠和兔子是蜱生命周期早期階段的宿主。

與i5K倡議并行，ARS的國(guó)家農(nóng)業(yè)圖書(shū)館(NAL)組織了“i5k Workspace @ NAL”，提供了一個(gè)共同的在線區(qū)域，研究人員可以在這里共同研究基因組，使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的基因組學(xué)軟件拼湊數(shù)據(jù)。這確保了對(duì)數(shù)據(jù)的最廣泛訪問(wèn)以及基因組數(shù)據(jù)庫(kù)的更長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

“科學(xué)家和其他人 - 將i5k Workspace @ NAL視為中立的基礎(chǔ)。我們已經(jīng)能夠?qū)⒏鱾€(gè)小組聚集在一起，開(kāi)展廣泛的國(guó)際合作，致力于共同的數(shù)據(jù)集，這些努力即使不是不可能，也會(huì)因較小的數(shù)據(jù)庫(kù)而變得更加困難，只有一個(gè)物種，每次有人退休或改變位置都有消失的風(fēng)險(xiǎn)，“項(xiàng)目聯(lián)合負(fù)責(zé)人之一的計(jì)算生物學(xué)家Christopher Childers解釋道。

i5k Workspace @ NAL成功的最近一個(gè)例子是臭蟲(chóng)基因組的出版。2017年4月，來(lái)自美國(guó)16個(gè)州的7個(gè)國(guó)家和機(jī)構(gòu)的60多位科學(xué)家，包括ARS，共同發(fā)表了對(duì)臭蟲(chóng)基因組中14,220個(gè)基因的分析。該研究為控制臭蟲(chóng)的新方法奠定了基礎(chǔ)。

今天的基因組學(xué)讓科學(xué)家“玩撲克”，更多的牌面朝上，而不是投注到完整的未知數(shù)。這大大增加了解決當(dāng)今最緊迫的農(nóng)業(yè)問(wèn)題的成功幾率。