Il a fallu près de 10, 000 ans de sélection pour faire passer le maïs d'une culture tropicale avec des épis de la taille d'un pouce à la culture à haut rendement du Midwest d'aujourd'hui. Mais au cours de la prochaine décennie, les nouvelles variétés de maïs auront probablement des niveaux plus élevés de nutriments essentiels, mieux gérer la sécheresse et les températures extrêmes, et produire des rendements plus efficacement.

Comment ces changements se produiront-ils si rapidement ? La réponse courte est la génomique. La génomique est aujourd'hui le mot à la mode en matière de progrès scientifique, mais qu'est-ce que cela signifie vraiment ?

Pour répondre à cette question, nous devons prendre quelques pas en arrière.

La plupart des gens reconnaissent le terme « ADN », la double hélice emblématique dans les cellules de tous les êtres vivants. L'ADN constitue les gènes d'un organisme. Tous les gènes d'un organisme constituent ensemble un ensemble d'instructions, une "recette" pour fabriquer cette espèce ou cette variété particulière. C'est le génome.

La génomique est également la science qui relie les gènes aux traits physiques ou aux processus qu'ils contrôlent. La génomique est aussi la vue panoramique de l'ensemble du paysage ADN d'un organisme, non seulement comment fonctionne l'ADN, mais aussi comment le génome interagit avec son environnement et comment l'environnement agit sur les gènes.

Les scientifiques étudient tous les types de génomes pour débloquer les codes de traits spécifiques. Les scientifiques du Service de recherche agricole (ARS) utilisent les informations génomiques pour résoudre des problèmes agricoles et environnementaux fondamentaux.

Parfois, plutôt que de découvrir un génome entier, il est plus facile d'identifier des segments d'ADN connus sous le nom de « marqueurs génétiques » qui sont associés à des traits physiques particuliers. Un marqueur génétique ne fait pas nécessairement partie du gène contrôlant un trait, mais il est toujours associé au trait. Trouver un marqueur génétique peut être plus rapide que le séquençage d'un génome, car il suffit d'identifier une courte séquence d'ADN plutôt que des millions de gènes et leurs fonctions.

Avant que l'utilisation des marqueurs génétiques et de la génomique ne devienne pratique, les chercheurs et les sélectionneurs qui essayaient d'obtenir des améliorations travaillaient pour la plupart dans l'obscurité, ou au mieux avec des preuves physiques indirectes. Ils ne pouvaient sélectionner que les parents qui exposaient, ou "exprimé, " le trait souhaité et j'espère ensuite que le trait passera à la génération suivante. Habituellement, les chercheurs ont créé des milliers de combinaisons pour un ou deux succès.

"Ce que la génomique signifie vraiment, c'est avoir un projecteur puissant, " explique Jack Okamuro, Responsable du programme national de l'ARS pour les ressources phytogénétiques, génomique, et l'amélioration génétique. "Il met en lumière la précision afin qu'un scientifique puisse obtenir une bien meilleure idée de ce que les gènes doivent être dans la progéniture."

Par exemple, Les scientifiques de l'ARS ont trouvé des marqueurs pour un gène précieux qui confère au blé une résistance à la mouche de Hesse. Pour s'assurer que le caractère de résistance est introduit avec succès dans de nouveaux plants de blé, les chercheurs n'ont qu'à rechercher les marqueurs génétiques. Cela réduit des années, voire des décennies, le processus de sélection conventionnelle.

De la même manière, lorsque les chercheurs de légumes de l'ARS ont voulu élever du brocoli qui pourrait être cultivé à des températures plus chaudes, ils ont identifié des marqueurs génétiques associés à la résistance à la chaleur dans un groupe test de plants de brocoli. Ces marqueurs accéléreront le développement de cultivars de brocoli tolérants à la chaleur.

Dans le cas du maïs (maïs), Le généticien de l'ARS Edward Buckler a développé une quantité encyclopédique d'informations sur les 40, 000 gènes et les près de 2,3 millions d'informations génétiques sur des traits physiques spécifiques, comme la période de floraison, rendement, et la tolérance au froid. Et la base de connaissances continue de s'étendre.

Buckler fait partie d'une équipe qui a récemment analysé 4, 500 variétés de maïs sélectionnées et cultivées par des agriculteurs à travers les Amériques pour trouver les gènes qui permettent au maïs de s'adapter à différentes latitudes et altitudes.

« Nous avons découvert qu'il existe un millier de gènes qui adaptent un plant de maïs à une latitude et à une altitude particulières, " Buckler dit. "Mais nous les avons trouvés."

"La génomique nous apporte la connaissance et la précision pour combiner la meilleure génétique, que ce soit des Tropiques ou du Midwest, pour obtenir une nouvelle variété avec exactement les caractéristiques nécessaires pour faire le travail dont nous avons besoin et pour faire la combinaison en quelques années seulement, plutôt que dans une décennie, " il ajoute.

Big Data, Grands résultats

Le séquençage d'un génome génère une énorme quantité de données. À mesure que la puissance de la technologie pour produire des informations génomiques augmente, de plus en plus de données sont générées, et de nouvelles approches sont nécessaires pour gérer tout cela.

Dans le cas de la génomique des insectes, la recherche est encore compliquée par les chiffres. Il existe des millions d'espèces d'insectes et d'arthropodes, beaucoup d'entre eux revêtent une grande importance pour les gens et pour l'écologie de la Terre. Les insectes pollinisent un tiers de nos cultures vivrières, pourtant, certains peuvent causer des dommages considérables aux cultures et au bétail—et d'importantes pertes de revenus pour les producteurs. La résistance aux pesticides est également un problème en constante évolution. Comprendre la biologie d'un insecte nuisible est essentiel pour trouver des moyens de le combattre sans nuire aux autres espèces.

De meilleures solutions à ces problèmes se trouvent dans les génomes des ravageurs et de leurs hôtes. Encore, la grande diversité des espèces d'insectes signifie moins de scientifiques et de ressources pour percer leurs secrets génomiques. Le développement et le maintien de bases de données génomiques sont souvent hors de portée financière et technique de ces petites communautés scientifiques.

En réponse, un groupe international de scientifiques, co-présidé par le responsable du programme national ARS Kevin Hackett, a organisé l'Initiative i5k pour séquencer et analyser les génomes de pas moins de 5, 000 espèces d'insectes importantes. L'initiative mobilise les ressources en réunissant virtuellement des scientifiques du monde entier et de différentes disciplines, comme la biologie moléculaire, la génétique, physiologie, bioinformatique, et gestion de bases de données. Il a favorisé les discussions sur la façon de réduire les efforts de recherche redondants et de fournir des commentaires sur les priorités de financement.

Loin d'être des exercices de tour d'ivoire, Les efforts de génomique des insectes i5k mènent à des avancées qui font la une des journaux d'aujourd'hui. Une forte augmentation du nombre de ticks à l'été 2017 a placé les ticks en haut de la liste des sujets médiatiques de la saison, et les tiques font également partie des succès associés à l'i5k. Lorsque le physiologiste des insectes de l'ARS Felix D. Guerrero et son équipe ont séquencé le génome de la tique du bétail, qui est environ 2,5 fois la taille du génome humain, ils ont identifié des gènes qu'ils utilisent maintenant pour développer un nouveau vaccin contre les tiques de la fièvre bovine. Ce vaccin peut protéger les bovins de plusieurs maladies mortelles propagées par la tique.

Les protéines que ces gènes contrôlent sont également testées par l'entomologiste de l'ARS Andrew Li pour contrôler les tiques hébergeant des bactéries qui causent la maladie de Lyme. Li espère que lorsque ces tiques piqueront des souris et des lapins, étant donné les protéines, les tiques vont mourir. Les souris à pattes blanches et les lapins sont les hôtes des premiers stades du cycle de vie des tiques.

Parallèlement à l'initiative i5K, La Bibliothèque nationale d'agriculture (NAL) de l'ARS a organisé le "i5k Workspace@NAL" pour fournir un espace en ligne commun où les chercheurs peuvent travailler ensemble sur les génomes, rassembler des données à l'aide d'un logiciel de génomique normalisé au niveau international. Cela garantit l'accès le plus large possible aux données et une stabilité à plus long terme pour les bases de données génomiques.

"Les scientifiques - et d'autres - voient i5k Workspace@NAL comme un terrain neutre. Nous avons pu rassembler des groupes dans de larges collaborations internationales travaillant sur des ensembles de données communs, efforts qui seraient plus difficiles, sinon impossible, avec des bases de données plus petites, chacun ne se concentrait que sur une seule espèce, risque de disparaître à chaque départ à la retraite ou changement de poste, " explique le biologiste informatique Christopher Childers, l'un des co-responsables du projet.

Un exemple récent du succès de l'i5k Workspace@NAL est la publication du génome des punaises de lit. En avril 2017, plus de 60 scientifiques de 7 pays et institutions dans 16 États américains, dont l'ARS, ont publié collectivement une analyse de 14, 220 gènes dans le génome de la punaise de lit. 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.