Se necesitaron casi 10 000 años de mejoramiento para llevar el maíz de un cultivo tropical con orejas del tamaño de un pulgar al cultivo de alto rendimiento del Medio Oeste de hoy. Pero solo en la próxima década, Es probable que las nuevas variedades de maíz tengan niveles más altos de nutrientes vitales, manejar mejor la sequía y las temperaturas extremas, y producir rendimientos de manera más eficiente.

¿Cómo ocurrirán estos cambios tan rápidamente? La respuesta corta es genómica. La genómica es la palabra de moda en la actualidad en lo que respecta al progreso científico, ¿Pero qué significa realmente?

Para responder a esa pregunta, tenemos que retroceder unos pasos.

La mayoría de la gente reconoce el término "ADN", la icónica doble hélice en las células de todos los seres vivos. El ADN forma los genes de un organismo. Todos los genes de un organismo juntos comprenden un conjunto de instrucciones, una "receta" para hacer esa especie o variedad en particular. Este es el genoma.

La genómica es también la ciencia de conectar genes con los rasgos físicos o procesos que controlan. La genómica es también la vista panorámica de todo el paisaje del ADN de un organismo, no solo cómo funciona el ADN, pero también cómo el genoma interactúa con su entorno y cómo el entorno actúa sobre los genes.

Los científicos están estudiando todo tipo de genomas para desbloquear los códigos de rasgos específicos. Los científicos del Servicio de Investigación Agrícola (ARS) están utilizando información genómica para resolver problemas agrícolas y ambientales fundamentales.

Algunas veces, en lugar de descubrir un genoma completo, es más fácil identificar tramos de ADN conocidos como "marcadores genéticos" que están asociados con rasgos físicos particulares. Un marcador genético no es necesariamente parte del gen que controla un rasgo, pero siempre está asociado con el rasgo. Encontrar un marcador genético puede ser más rápido que secuenciar un genoma, ya que solo requiere identificar una secuencia corta de ADN en lugar de millones de genes y sus funciones.

Antes de que el uso de marcadores genéticos y genómica se volviera práctico, Los investigadores y criadores que intentaban generar mejoras trabajaban principalmente en la oscuridad o, en el mejor de los casos, trabajaban con evidencia física indirecta. Solo pudieron seleccionar a los padres que exhibieron, o "expresado, "el rasgo deseado y luego esperar que el rasgo pase a la siguiente generación. Por lo general, los investigadores crearon miles de combinaciones por cada uno o dos éxitos.

"Lo que realmente significa la genómica es tener un foco de atención poderoso, "explica Jack Okamuro, Líder del programa nacional del ARS para recursos fitogenéticos, genómica, y mejora genética. "Destaca la precisión para que un científico pueda tener una mejor idea de qué genes deben estar en la descendencia".

Por ejemplo, Los científicos del ARS encontraron marcadores para un gen valioso que le da al trigo resistencia a la mosca de Hesse. Para garantizar que el rasgo de resistencia se transforme con éxito en nuevas plantas de trigo, los investigadores solo necesitan buscar los marcadores genéticos. Esto reduce años, si no décadas, del proceso de reproducción convencional.

Similar, cuando los investigadores de hortalizas del ARS querían criar brócoli que pudiera cultivarse en temperaturas más cálidas, identificaron marcadores genéticos asociados con la resistencia al calor en un grupo de prueba de plantas de brócoli. Estos marcadores acelerarán el desarrollo de cultivares de brócoli tolerantes al calor.

En el caso del maíz (maíz), El genetista del ARS Edward Buckler ha desarrollado una cantidad enciclopédica de información sobre los 40, 000 genes y los casi 2,3 millones de piezas de información genética sobre rasgos físicos específicos, como el tiempo de floración, producir, y tolerancia al frío. Y la base de conocimientos continúa expandiéndose.

Buckler es parte de un equipo que analizó recientemente 4, 500 variedades de maíz cultivadas y cultivadas por agricultores de las Américas para encontrar los genes que permiten que el maíz se adapte a diferentes latitudes y elevaciones.

"Descubrimos que hay mil genes que sintonizan una planta de maíz con una latitud y elevación particulares, "Dice Buckler." Pero los encontramos ".

"La genómica nos proporciona el conocimiento y la precisión para combinar la mejor genética, ya sea de los trópicos o del medio oeste, para obtener una nueva variedad con exactamente las características para hacer el trabajo que necesitamos que haga, y para hacer la combinación en solo un par de años, en lugar de en una década, " él añade.

Big Data, Grandes resultados

La secuenciación de un genoma genera una enorme cantidad de datos. A medida que crece el poder de la tecnología para producir información genómica, cada vez se generan más datos, y se necesitan nuevos enfoques para gestionarlo todo.

En el caso de la genómica de insectos, la investigación se complica aún más por los números. Hay millones de especies de insectos y artrópodos, muchos de ellos con una profunda importancia para las personas y para la ecología de la Tierra. Los insectos polinizan un tercio de nuestros cultivos alimentarios, sin embargo, algunos pueden causar daños considerables a los cultivos y el ganado, y grandes pérdidas de ingresos para los productores. La resistencia a los pesticidas también es un problema en evolución. Comprender la biología de una plaga de insectos es esencial para encontrar formas de combatirla sin dañar a otras especies.

Las mejores soluciones a estos problemas se encuentran en los genomas de las plagas y sus huéspedes. Todavía, la gran diversidad de especies de insectos significa menos científicos y recursos para descubrir sus secretos genómicos. Desarrollar y mantener bases de datos genómicas a menudo está más allá del alcance financiero y técnico de esas comunidades científicas más pequeñas.

En respuesta, un grupo internacional de científicos, copresidido por el líder del programa nacional del ARS, Kevin Hackett, organizó la Iniciativa i5k para secuenciar y analizar los genomas de no menos de 5, 000 especies de insectos importantes. La iniciativa aprovecha los recursos al reunir virtualmente a científicos de todo el mundo y de diferentes disciplinas, como la biología molecular, genética, fisiología, bioinformática, y gestión de bases de datos. Ha fomentado debates sobre cómo reducir los esfuerzos de investigación redundantes y proporcionar retroalimentación sobre las prioridades de financiación.

Lejos de ser ejercicios de torre de marfil, Los esfuerzos de i5k sobre genómica de insectos están conduciendo a avances que se adaptan a los titulares de hoy. Un gran aumento en el número de ticks en el verano de 2017 puso los ticks en lo más alto de la lista de temas de medios de la temporada, y las garrapatas también se encuentran entre los éxitos asociados con i5k. Cuando el fisiólogo de insectos del ARS Felix D. Guerrero y su equipo secuenciaron el genoma de la garrapata del ganado, que es aproximadamente 2,5 veces el tamaño del genoma humano, identificaron genes que ahora están usando para desarrollar una nueva vacuna contra las garrapatas de la fiebre del ganado. Esta vacuna puede proteger al ganado de varias enfermedades mortales transmitidas por la garrapata.

Las proteínas que controlan estos genes también están siendo probadas por el entomólogo del ARS Andrew Li para controlar las garrapatas que albergan bacterias que causan la enfermedad de Lyme. Li espera que cuando estas garrapatas piquen ratones y conejos que reciben las proteínas, las garrapatas morirán. Los ratones y conejos de patas blancas son huéspedes de las primeras etapas del ciclo de vida de las garrapatas.

Paralelamente a la iniciativa i5K, La Biblioteca Nacional Agrícola del ARS (NAL) ha organizado el "i5k Workspace @ NAL" para proporcionar un área común en línea donde los investigadores pueden trabajar juntos en genomas, juntar datos utilizando software genómico estandarizado internacionalmente. Esto asegura el acceso más amplio posible a los datos y una mayor estabilidad a largo plazo para las bases de datos del genoma.

"Los científicos, y otros, ven i5k Workspace @ NAL como terreno neutral. Hemos podido reunir grupos en amplias colaboraciones internacionales que trabajan en conjuntos de datos comunes, esfuerzos que serían más difíciles, si no imposible, con bases de datos más pequeñas, cada uno se centró solo en una sola especie, en riesgo de desaparecer cada vez que alguien se jubila o cambia de puesto, "explica el biólogo computacional Christopher Childers, uno de los codirectores del proyecto.

Un ejemplo reciente del éxito de i5k Workspace @ NAL es la publicación del genoma de las chinches. En abril de 2017, más de 60 científicos de 7 países e instituciones en 16 estados de EE. UU., incluyendo ARS, collectively published an analysis of 14, 220 genes in the bed bug's genome. This research has laid the foundation for new methods for controlling bed bugs.

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.