p Demorou quase 10, 000 anos de reprodução para levar o milho de uma safra tropical com orelhas do tamanho de um polegar para a safra de alto rendimento do meio-oeste de hoje. Mas apenas na próxima década, novas variedades de milho provavelmente terão níveis mais elevados de nutrientes vitais, lidar melhor com secas e temperaturas extremas, e produzir rendimentos com mais eficiência. p Como essas mudanças acontecerão tão rapidamente? A resposta curta é genômica. Genômica é a palavra da moda de hoje quando se trata de progresso científico, Mas o que isso realmente significa?

p Para responder a essa pergunta, precisamos dar alguns passos para trás.

p A maioria das pessoas reconhece o termo "DNA" - a icônica dupla hélice nas células de todos os seres vivos. O DNA constitui os genes de um organismo. Todos os genes de um organismo juntos compreendem um conjunto de instruções, uma "receita" para fazer aquela espécie ou variedade em particular. Este é o genoma.

p Genômica também é a ciência de conectar genes com as características físicas ou processos que eles controlam. A genômica também é a visão panorâmica de toda a paisagem de DNA de um organismo, não apenas como o DNA funciona, mas também como o genoma interage com seu ambiente e como o ambiente age sobre os genes.

p Os cientistas estão estudando todos os tipos de genomas para desbloquear os códigos de características específicas. Cientistas do Serviço de Pesquisa Agrícola (ARS) estão usando informações genômicas para resolver problemas agrícolas e ambientais fundamentais.

p As vezes, ao invés de descobrir um genoma inteiro, é mais fácil identificar trechos de DNA conhecidos como "marcadores genéticos" que estão associados a características físicas específicas. Um marcador genético não é necessariamente parte do gene que controla uma característica, mas está sempre associado ao traço. Encontrar um marcador genético pode ser mais rápido do que sequenciar um genoma, uma vez que requer apenas a identificação de uma curta sequência de DNA, em vez de milhões de genes e suas funções.

p Antes que o uso de marcadores genéticos e genômica se tornasse prático, pesquisadores e criadores que tentavam gerar melhorias estavam trabalhando principalmente no escuro - ou, na melhor das hipóteses, trabalhando com evidências físicas indiretas. Eles só podiam selecionar os pais que exibiram, ou "expresso, "o traço desejado e, em seguida, espero que ele passe para a próxima geração. Normalmente, os pesquisadores criaram milhares de combinações para cada um ou dois sucessos.

p "O que a genômica realmente significa é ter um holofote poderoso, "explica Jack Okamuro, Líder do programa nacional ARS para recursos fitogenéticos, genômica, e melhoramento genético. "Ele brilha como um holofote de precisão para que um cientista possa obter uma determinação muito melhor sobre o que os genes precisam estar na prole."

p Por exemplo, Os cientistas da ARS encontraram marcadores para um gene valioso que confere resistência do trigo à mosca de Hessian. Para garantir que o traço de resistência seja reproduzido com sucesso em novas plantas de trigo, os pesquisadores precisam apenas procurar os marcadores genéticos. Isso corta anos - senão décadas - do processo de criação convencional.

p De forma similar, quando os pesquisadores de vegetais da ARS queriam criar brócolis que pudessem ser cultivados em temperaturas mais quentes, eles identificaram marcadores genéticos associados à resistência ao calor em um grupo de teste de plantas de brócolis. Esses marcadores irão acelerar o desenvolvimento de cultivares de brócolis tolerantes ao calor.

p No caso do milho (milho), O geneticista da ARS Edward Buckler desenvolveu uma quantidade enciclopédica de informações sobre os 40 anos da cultura, 000 genes e os quase 2,3 milhões de peças de informação genética sobre características físicas específicas, como o período de floração, produção, e tolerância ao frio. E a base de conhecimento continua a se expandir.

p Buckler faz parte de uma equipe que analisou recentemente 4, 500 variedades de milho criadas e cultivadas por agricultores nas Américas para encontrar os genes que permitem que o milho se adapte a diferentes latitudes e altitudes.

p "Descobrimos que existem mil genes sintonizando uma planta de milho a uma determinada latitude e altitude, "Buckler diz." Mas nós os encontramos. "

p “A genômica nos fornece o conhecimento e a precisão para combinar o que há de melhor na genética, seja dos trópicos ou do meio-oeste, para obter uma nova variedade com exatamente as características para fazer o trabalho que precisamos fazer - e fazer a combinação em apenas alguns anos, em vez de em uma década, " ele adiciona.

p Big Data, Grandes resultados

p O sequenciamento de um genoma gera uma enorme quantidade de dados. À medida que o poder da tecnologia de produzir informações genômicas cresce, cada vez mais dados são gerados, e novas abordagens são necessárias para gerenciar tudo isso.

p No caso da genômica dos insetos, a pesquisa é ainda mais complicada por números absolutos. Existem milhões de espécies de insetos e artrópodes, muitos deles de profunda importância para as pessoas e para a ecologia da Terra. Os insetos polinizam um terço de nossas safras alimentares, no entanto, alguns podem causar danos consideráveis ​​às safras e ao gado - e grandes perdas de receita para os produtores. A resistência a pesticidas também é um problema em evolução. Compreender a biologia de uma praga de inseto é essencial para encontrar maneiras de combatê-la sem prejudicar outras espécies.

p As melhores soluções para esses problemas podem ser encontradas nos genomas das pragas e seus hospedeiros. Ainda, a vasta diversidade de espécies de insetos significa menos cientistas e recursos para desvendar seus segredos genômicos. O desenvolvimento e a manutenção de bancos de dados genômicos geralmente estão além do alcance financeiro e técnico dessas comunidades científicas menores.

p Em resposta, um grupo internacional de cientistas, co-presidido pelo líder do programa nacional ARS Kevin Hackett, organizou a Iniciativa i5k para sequenciar e analisar os genomas de pelo menos 5, 000 espécies importantes de insetos. A iniciativa potencializa recursos ao reunir virtualmente cientistas de todo o mundo e de diferentes disciplinas, como biologia molecular, genética, fisiologia, bioinformática, e gerenciamento de banco de dados. Tem fomentado discussões sobre como reduzir esforços de pesquisa redundantes e fornecer feedback sobre as prioridades de financiamento.

p Longe de serem exercícios de torre de marfim, Os esforços da genômica de insetos da i5k estão levando a avanços que aparecem nas manchetes de hoje. Um grande aumento no número de ticks no verão de 2017 colocou os ticks no topo da lista de tópicos de mídia da temporada, e os ticks também estão entre os sucessos associados ao i5k. Quando o fisiologista de insetos ARS Felix D. Guerrero e sua equipe sequenciaram o genoma do carrapato do gado, que é cerca de 2,5 vezes o tamanho do genoma humano, eles identificaram genes que estão usando agora para desenvolver uma nova vacina contra os carrapatos da febre do gado. Esta vacina pode proteger o gado de várias doenças fatais transmitidas pelo carrapato.

p As proteínas que esses genes controlam também estão sendo testadas pelo entomologista da ARS, Andrew Li, para o controle de carrapatos que abrigam bactérias que causam a doença de Lyme. Li espera que, quando esses carrapatos mordem camundongos e coelhos que recebem as proteínas, os carrapatos morrerão. Camundongos e coelhos de patas brancas são hospedeiros dos estágios iniciais do ciclo de vida do carrapato.

p Paralelo à iniciativa i5K, A National Agricultural Library (NAL) da ARS organizou o "i5k Workspace @ NAL" para fornecer uma área online comum onde os pesquisadores podem trabalhar juntos em genomas, juntar dados usando software genômico padronizado internacionalmente. Isso garante o acesso mais amplo possível aos dados e mais estabilidade de longo prazo para bancos de dados de genoma.

p "Cientistas e outros consideram o i5k Workspace @ NAL um terreno neutro. Conseguimos reunir grupos em amplas colaborações internacionais trabalhando em conjuntos de dados comuns, esforços que seriam mais difíceis, se não impossível, com bancos de dados menores, cada um focado apenas em uma única espécie, corre o risco de desaparecer sempre que alguém se aposentar ou mudar de posição, "explica o biólogo computacional Christopher Childers, um dos co-chefes do projeto.

p Um exemplo recente do sucesso do i5k Workspace @ NAL é a publicação do genoma do percevejo. Em abril de 2017, mais de 60 cientistas de 7 países e instituições em 16 estados dos EUA, incluindo ARS, publicou coletivamente uma análise de 14, 220 genes in the bed bug's genome. This research has laid the foundation for new methods for controlling bed bugs.

p 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.