Det tog nästan 10, 000 år av uppfödning för att ta majs från en tropisk gröda med tumöron till dagens högavkastande mellanvästern. Men bara under nästa decennium, nya majssorter kommer sannolikt att ha högre nivåer av viktiga näringsämnen, hantera torka och extrema temperaturer bättre, och producera skördar mer effektivt.

Hur kommer dessa förändringar att ske så snabbt? Det korta svaret är genomik. Genomik är dagens modeord när det kommer till vetenskapliga framsteg, men vad betyder det egentligen?

För att svara på den frågan, vi måste ta några steg tillbaka.

De flesta känner igen termen "DNA" - den ikoniska dubbelspiralen i cellerna i alla levande varelser. DNA utgör en organisms gener. Alla en organisms gener utgör tillsammans en uppsättning instruktioner, ett "recept" för att göra just den arten eller sorten. Detta är genomet.

Genomik är också vetenskapen om att koppla ihop gener med de fysiska egenskaper eller processer de kontrollerar. Genomik är också panoramautsikten över en organisms hela DNA-landskap, inte bara hur DNA fungerar, men också hur arvsmassan interagerar med sin omgivning och hur miljön påverkar generna.

Forskare studerar alla typer av genom för att låsa upp koderna till specifika egenskaper. Agricultural Research Service (ARS) forskare använder genomisk information för att lösa grundläggande jordbruks- och miljöproblem.

Ibland, snarare än att räkna ut ett helt genom, det är lättare att identifiera delar av DNA som kallas "genetiska markörer" som är associerade med särskilda fysiska egenskaper. En genetisk markör är inte nödvändigtvis en del av genen som kontrollerar en egenskap, men det är alltid förknippat med egenskapen. Att hitta en genetisk markör kan vara snabbare än att sekvensera ett genom, eftersom det bara kräver identifiering av en kort DNA-sekvens snarare än miljontals gener och deras funktioner.

Innan användningen av genetiska markörer och genomik blev praktisk, forskare och uppfödare som försökte odla i förbättringar arbetade mestadels i mörker – eller i bästa fall med indirekta fysiska bevis. De kunde bara välja föräldrar som ställde ut, eller "uttryckt, " den önskade egenskapen och hoppas sedan att egenskapen skulle gå vidare till nästa generation. Vanligtvis, forskare skapade tusentals kombinationer för varje eller två framgångar.

"Vad genomik verkligen betyder är att ha ett kraftfullt strålkastarljus, " förklarar Jack Okamuro, ARS nationell programledare för växtgenetiska resurser, genomik, och genetisk förbättring. "Det lyser en strålkastare av precision så att en forskare kan få en mycket bättre fix på vilka gener som behöver finnas i avkomman."

Till exempel, ARS-forskare hittade markörer för en värdefull gen som ger vetemotstånd till den hessiska flugan. För att säkerställa att resistensegenskapen framgångsrikt förädlas till nya veteplantor, forskare behöver bara leta efter de genetiska markörerna. Detta minskar år—om inte decennier—av processen för konventionell avel.

Liknande, när ARS grönsaksforskare ville odla broccoli som kunde odlas i varmare temperaturer, de identifierade genetiska markörer associerade med värmeresistens i en testgrupp av broccoliväxter. Dessa markörer kommer att påskynda utvecklingen av värmetoleranta broccolisorter.

När det gäller majs (majs), ARS-genetikern Edward Buckler har utvecklat en encyklopedisk mängd information om grödans 40, 000 gener och nästan 2,3 miljoner bitar av genetisk information om specifika fysiska egenskaper, som blomningstid, avkastning, och kyla tolerans. Och kunskapsbasen fortsätter att expandera.

Buckler är en del av ett team som nyligen analyserade 4, 500 majssorter uppfödda och odlade av bönder över hela Amerika för att hitta generna som låter majs anpassa sig till olika breddgrader och höjder.

"Vi fann att det finns tusen gener som anpassar en majsplanta till en viss breddgrad och höjd, Buckler säger. "Men vi hittade dem."

"Genomics ger oss kunskapen och precisionen för att kombinera den bästa genetiken, vare sig från tropikerna eller mellanvästern, för att få en ny sort med exakt de egenskaper som krävs för att göra det jobb vi behöver den för att göra – och för att göra kombinationen på bara ett par år, snarare än på ett decennium, " han lägger till.

Big Data, Stora resultat

Sekvensering av ett genom skapar en enorm mängd data. När teknikens kraft att producera genomisk information växer, allt mer data genereras, och nya tillvägagångssätt behövs för att hantera allt.

När det gäller insektsgenomik, forskning kompliceras ytterligare av stora siffror. Det finns miljontals arter av insekter och leddjur, många av dem har stor betydelse för människor och för jordens ekologi. Insekter pollinerar en tredjedel av våra matgrödor, men vissa kan orsaka avsevärd skada på grödor och boskap – och stora inkomstförluster för producenterna. Resistens mot bekämpningsmedel är också ett växande problem. Att förstå en skadeinsekts biologi är viktigt för att hitta sätt att bekämpa den utan att skada andra arter.

Bättre lösningar på dessa problem finns i arvsmassan hos skadegörare och deras värdar. Än, den stora mångfalden av insektsarter innebär färre forskare och resurser för att låsa upp deras genomiska hemligheter. Att utveckla och underhålla genomiska databaser ligger ofta utanför den ekonomiska och tekniska räckvidden för dessa mindre forskargrupper.

Som svar, en internationell grupp av forskare, medordförande av ARS nationella programledare Kevin Hackett, organiserade i5k-initiativet för att sekvensera och analysera genomen från inte mindre än 5, 000 viktiga insektsarter. Initiativet utnyttjar resurser genom att praktiskt taget sammanföra forskare från hela världen och från olika discipliner, som molekylärbiologi, genetik, fysiologi, bioinformatik, och databashantering. Det har främjat diskussioner om hur man kan minska överflödiga forskningsinsatser och ge feedback om finansieringsprioriteringar.

Långt ifrån att vara övningar i elfenbenstorn, i5k insektsgenomik-insatser leder till framsteg som spelar direkt in i dagens rubriker. En stor topp i ticksiffror sommaren 2017 satte kryss högt på säsongens lista över medieämnen, och fästingar är också bland framgångarna förknippade med i5k. När ARS-insektsfysiologen Felix D. Guerrero och hans team sekvenserade boskapsfästingens genom, vilket är ungefär 2,5 gånger så stort som det mänskliga genomet, de identifierade gener som de nu använder för att utveckla ett nytt vaccin mot boskapsfeberfästingar. Detta vaccin kan skydda nötkreatur från flera dödliga sjukdomar som sprids av fästingen.

Proteinerna som dessa gener kontrollerar testas också av ARS-entomologen Andrew Li för kontroll av fästingar som innehåller bakterier som orsakar borrelia. Li hoppas att när dessa fästingar biter möss och kaniner som fått proteinerna, fästingarna kommer att dö. Vitfotade möss och kaniner är värdar för tidiga stadier i fästingens livscykel.

Parallellt med i5K-initiativet, ARS National Agricultural Library (NAL) har organiserat "i5k Workspace@NAL" för att tillhandahålla ett gemensamt onlineområde där forskare kan arbeta tillsammans om genom, sammanfoga data med hjälp av internationellt standardiserad genomikmjukvara. Detta säkerställer bredast möjliga tillgång till data och mer långsiktig stabilitet för genomdatabaser.

"Forskare – och andra – ser i5k Workspace@NAL som neutral mark. Vi har kunnat dra samman grupper till breda internationella samarbeten som arbetar med gemensamma datamängder, ansträngningar som skulle vara svårare, om inte omöjligt, med mindre databaser, var och en fokuserade bara på en enda art, riskerar att försvinna varje gång någon går i pension eller byter position, " förklarar beräkningsbiolog Christopher Childers, en av projektledarna.

Ett färskt exempel på i5k Workspace@NAL:s framgång är publiceringen av vägglössgenomet. I april 2017, mer än 60 forskare från 7 länder och institutioner i 16 amerikanska stater, inklusive 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.