Расшифровка возможностей геномики
Потребовалось почти 10 000 лет селекции, чтобы превратить кукурузу из тропической культуры с початками размером с палец в высокоурожайную культуру Среднего Запада сегодня. Но уже в следующем десятилетии новые сорта кукурузы, вероятно, будут иметь более высокий уровень жизненно важных питательных веществ, лучше переносить засуху и экстремальные температуры и эффективнее давать урожай.
Как эти изменения произойдут так быстро? Краткий ответ — геномика.
Чтобы понять, что это значит, нужно сделать шаг назад. ДНК составляет гены организма. Все гены организма вместе представляют собой набор инструкций, «рецепт» для создания этого конкретного вида или сорта. Это и есть геном.
Геномика — это наука, связывающая гены с физическими признаками или процессами, которые они контролируют. Это также панорамный вид на весь ландшафт ДНК организма, включая взаимодействие генома с окружающей средой.
Ученые изучают различные геномы, чтобы расшифровать коды конкретных признаков. Специалисты Службы сельскохозяйственных исследований (ARS, Agricultural Research Service) используют геномную информацию для решения фундаментальных сельскохозяйственных и экологических проблем.
Иногда проще идентифицировать участки ДНК, известные как «генетические маркеры», связанные с определенными физическими признаками. Генетический маркер не обязательно является частью гена, контролирующего признак, но всегда с ним ассоциирован. Поиск маркера может быть быстрее, чем секвенирование всего генома.
«Что на самом деле означает геномика? Это мощный прожектор», — объясняет Джек Окамуро, руководитель национальной программы ARS по генетическим ресурсам растений, геномике и генетическому улучшению. — «Он дает точность, позволяя ученому гораздо лучше определить, какие гены должны быть у потомства».
Например:
- Ученые ARS нашли маркеры ценного гена, который дает пшенице устойчивость к гессенской мухе. Это сокращает годы, если не десятилетия, процесса обычной селекции.
- Исследователи овощных культур ARS, желая вывести брокколи для более теплого климата, идентифицировали генетические маркеры, связанные с устойчивостью к жаре.
В случае кукурузы генетик ARS Эдвард Баклер собрал энциклопедический объем информации о 40 000 генов культуры и почти 2,3 миллионах единиц генетической информации о конкретных физических признаках, таких как время цветения, урожайность и холодоустойчивость.
«Геномика дает нам знания и точность, чтобы объединить лучшую генетику, будь то из тропиков или Среднего Запада, и получить новый сорт с точно заданными признаками... всего за пару лет, а не за десятилетие», — добавляет Баклер.
Большие данные, большие результаты
Секвенирование генома порождает огромный объем данных. В случае геномики насекомых исследование осложняется их количеством: существуют миллионы видов, многие из которых критически важны.
Для решения этой проблемы международная группа ученых, сопредседателем которой является руководитель национальной программы ARS Кевин Хакетт, организовала инициативу i5k. Ее цель — секвенировать и проанализировать геномы не менее 5000 важных видов насекомых. Инициатива объединяет ученых со всего мира и из разных дисциплин.
Усилия в рамках i5k уже приносят практические результаты:
- Команда физиолога насекомых ARS Феликса Д. Герреро секвенировала геном клеща крупного рогатого скота (в ~2,5 раза больше человеческого) и идентифицировала гены для разработки новой вакцины.
- Энтомолог ARS Эндрю Ли тестирует контролируемые этими генами белки для борьбы с клещами — переносчиками болезни Лайма.
Параллельно с i5k Национальная сельскохозяйственная библиотека (NAL) ARS создала «i5k Workspace@NAL» — общую онлайн-платформу для совместной работы исследователей над геномами с использованием стандартизированного ПО. Это обеспечивает максимальный доступ к данным и долгосрочную стабильность баз данных.
Успешным примером работы платформы стала публикация в апреле 2017 года генома постельного клопа. Более 60 ученых из 7 стран и 16 штатов США коллективно проанализировали 14 220 генов, заложив основу для новых методов борьбы с этим вредителем.
Геномика сегодня позволяет ученым «играть в покер» с большим количеством открытых карт, а не делать ставки в полной неизвестности. Это значительно увеличивает шансы на успех в решении самых насущных сельскохозяйственных проблем.