經(jīng)過將近1萬年的繁殖，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。但在接下來的十年中，新的玉米品種可能會有更高水平的重要營養(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?簡短的回答是基因組學。當談到科學進步時，基因組學是當今的流行詞，但它究竟意味著什么呢?要回答這個問題，我們需要退一步。大多數(shù)人都認識到“DNA”這個詞 - 所有生物細胞中標志性的雙螺旋。DNA構成了有機體的基因。所有生物體的基因一起構成一組指令，用于制作特定物種或品種的“配方”。這是基因組。

基因組學也是將基因與其控制的物理特征或過程聯(lián)系起來的科學?；蚪M學也是生物體整個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家正在研究所有類型的基因組，以解釋特定特征的代碼。農(nóng)業(yè)研究服務(ARS)科學家正在使用基因組信息來解決基本的農(nóng)業(yè)和環(huán)境問題。

有時，不是確定整個基因組，而是更容易識別與特定身體特征相關的被稱為“ 遺傳標記 ” 的DNA片段。遺傳標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。尋找遺傳標記可能比基因組測序更快，因為它只需要識別短DNA序列而不是數(shù)百萬基因及其功能。

在使用遺傳標記和基因組學變得切實可行之前，試圖在改良中進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”所需特征的父母，然后希望這種特質能夠傳遞給下一代。通常，研究人員為每一到兩次成功培育了數(shù)千種組合。

“基因組學的真正意義在于擁有強大的聚光燈，”ARS植物遺傳資源，基因組學和遺傳改良國家項目負責人Jack Okamuro解釋道。“它突出了精確度的焦點，因此科學家可以更好地解決后代需要的基因。”

例如，ARS科學家發(fā)現(xiàn)了一種有價值基因的標記，這種基因可以使小麥對黑森州蠅產(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記。這減少了傳統(tǒng)育種過程的數(shù)年 - 如果不是幾十年。

同樣，當ARS蔬菜研究人員想要培育可以在溫暖的溫度下生長的西蘭花時，他們在一組西蘭花植物的試驗組中發(fā)現(xiàn)了與耐熱性相關的遺傳標記。這些標記將加速耐熱花椰菜栽培品種的開發(fā)。

在玉米(玉米)的情況下，ARS遺傳學家愛德華·巴克勒(Edward Buckler)已經(jīng)開發(fā)了大量有關該作物40,000個基因和近230萬個遺傳信息的信息，這些信息涉及特定的物理特性，如開花時間，產(chǎn)量和耐寒性。知識庫繼續(xù)擴大。

Buckler是一個團隊的一部分，該團隊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，以找到讓玉米適應不同緯度和海拔的基因。

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

“基因組學為我們提供了結合最佳遺傳學的知識和精確度，無論是來自熱帶還是中西部，以獲得具有完全特性的新品種來完成我們需要它做的工作 - 并且僅僅在一對夫婦中進行組合幾年，而不是十年，“他補充道。

大數(shù)據(jù)，大結果

對基因組進行測序會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。隨著技術產(chǎn)生基因組信息的能力不斷增長，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)越來越多，需要新的方法來管理所有數(shù)據(jù)。

在昆蟲基因組學的情況下，研究因數(shù)字而變得更加復雜。有數(shù)百萬種昆蟲和節(jié)肢動物物種，其中許多對人類和地球生態(tài)具有重要意義。昆蟲為我們三分之一的糧食作物授粉，但有些可能會對作物和牲畜造成相當大的破壞，并對生產(chǎn)者造成巨大的收入損失。農(nóng)藥抗性也是一個不斷發(fā)展的問題。了解昆蟲害蟲的生物學對于找到對抗它的方法而不傷害其他物種至關重要。

在害蟲及其寄主的基因組中可以找到更好的解決這些問題的方法。然而，昆蟲種類的多樣性意味著更少的科學家和資源來解開他們的基因組秘密。開發(fā)和維護基因組數(shù)據(jù)庫往往超出了那些較小的科學界的財務和技術范圍。

作為回答，由ARS國家項目負責人Kevin Hackett共同主持的國際科學家小組組織了i5k計劃，對不少于5,000種重要昆蟲物種的基因組進行測序和分析。該計劃通過虛擬地匯集來自世界各地和不同學科的科學家來利用資源，例如分子生物學，遺傳學，生理學，生物信息學和數(shù)據(jù)庫管理。它促進了關于如何減少冗余研究工作并提供有關資金優(yōu)先事項的反饋的討論。

i5k昆蟲基因組學的努力遠非象牙塔運動，正在引領著今天的頭條新聞。2017年夏季蜱蟲數(shù)量的大幅增長使得該季節(jié)的媒體話題排名很高，而蜱也是與i5k相關的成功之一。當ARS昆蟲生理學家Felix D. Guerrero和他的團隊對牛蜱基因組進行測序時，它們大約是人類基因組大小的2.5倍，他們確定了他們現(xiàn)在用來開發(fā)針對牛蜱蜱的新疫苗的基因。這種疫苗可以保護牛免受蜱傳播的幾種致命疾病。

這些基因控制的蛋白質也正在由ARS昆蟲學家Andrew Li進行測試，以控制攜帶導致萊姆病的細菌的蜱。李希望當這些蜱叮咬小鼠和兔子給予蛋白質時，蜱會死亡。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的國家農(nóng)業(yè)圖書館(NAL)組織了“i5k Workspace @ NAL”，提供了一個共同的在線區(qū)域，研究人員可以在這里共同研究基因組，使用國際標準化的基因組學軟件拼湊數(shù)據(jù)。這確保了對數(shù)據(jù)的最廣泛訪問以及基因組數(shù)據(jù)庫的更長期穩(wěn)定性。

“科學家和其他人 - 將i5k Workspace @ NAL視為中立的基礎。我們已經(jīng)能夠將各個小組聚集在一起，開展廣泛的國際合作，致力于共同的數(shù)據(jù)集，這些努力即使不是不可能，也會因較小的數(shù)據(jù)庫而變得更加困難，只有一個物種，每次有人退休或改變位置都有消失的風險，“項目聯(lián)合負責人之一的計算生物學家Christopher Childers解釋道。

i5k Workspace @ NAL成功的最近一個例子是臭蟲基因組的出版。2017年4月，來自美國16個州的7個國家和機構的60多位科學家，包括ARS，共同發(fā)表了對臭蟲基因組中14,220個基因的分析。該研究為控制臭蟲的新方法奠定了基礎。

今天的基因組學讓科學家“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今最緊迫的農(nóng)業(yè)問題的成功幾率。