Команда Університету Небраски розробляє методику прискорення ідентифікації генів кукурудзи

Геном кукурудзи містить майже 40 000 генів, що на тисячі більше, ніж у геномі людини. Через 15 років після публікації першого проекту геному кукурудзи роль 98% генів у створенні рослини кукурудзи або визначенні того, як кукурудза реагує на різні умови вирощування, залишається невідомою.

Звичайні методи визначення роботи кожного гена виявилися повільними та дорогими, але науковці Husker зробили великий крок вперед у визначенні функції генів кукурудзи.

Роботу очолював Володимир Торрес-Родрігез, докторант, який працював з Джеймсом Шнаблем, професором і спеціалістом з генетики кукурудзи на факультеті агрономії та садівництва Університету Небраски–Лінкольна.

Володимир Торрес-Родрігес, науковий співробітник лабораторії Schnable, розробив і випробував інноваційний метод аналізу генів, сфокусований на РНК, який значно покращує здатність ідентифікувати гени кукурудзи.

Висновки, нещодавно опубліковані в The Plant Journal, можуть сприяти швидшому створенню стійкіших сортів кукурудзи та ширшому доступу виробників до покращених урожаїв завдяки більш швидкому й точному визначенню функцій окремих генів кукурудзи. Торрес-Родрігес є провідним автором статті «Експресія генів на популяційному рівні може неодноразово пов’язувати гени з функціями кукурудзи».

Техніка, яку він розробив і випробував разом з командою дослідників кукурудзи з лабораторії Schnable, використовує РНК, а не ДНК. Цей інноваційний підхід ідентифікував приблизно в 10 разів більше генів кукурудзи, що впливають на час цвітіння, ніж широко використовувані методи на основі ДНК для ідентифікації генів.

Краще визначення функцій генів може знизити вартість виведення на ринок сортів кукурудзи з модифікацією генів, що призведе до більшої конкуренції та кращих цін для фермерів, сказав Шнабл, який минулого року зробив внесок у знаменне завершення картографування геному кукурудзи.

Лише кілька великих насіннєвих компаній мають ресурси, щоб інвестувати сотні мільйонів доларів у розробку нових продуктів, орієнтованих на гени. Але швидші та точніші підходи, як продемонстрований UNL, можуть зменшити витрати та відкрити ринок.

Щоб зробити цей проект можливим, команда Husker виміряла рівні РНК понад 39 000 генів кукурудзи в кожному з приблизно 700 сортів кукурудзи, використовуючи рослини, вирощені на університетській фермі Havelock у Лінкольні. Дослідники поєднали ці вимірювання РНК із вимірюваннями самих рослин кукурудзи, зібраними як у Лінкольні, так і співробітниками з Мічиганського державного університету.

За словами Шнабла, голови Corn Checkoff, для того, щоб проект запрацював, потрібні були нові підходи не лише на комп’ютерах, але й у польових умовах. Команді потрібно було зібрати зразки з кожної рослини кукурудзи менш ніж за дві години та швидко заморозити їх, перш ніж умови навколишнього середовища зможуть швидко розщепити РНК, яка була ключем до аналізу Торреса-Родрігеса.

Для досягнення цих умов знадобилося спеціальне обладнання, розроблене Джонатаном Туркусом, менеджером з досліджень, який працює з Schnable в університетському Центрі інновацій рослинництва. Turkus виготовив обладнання за допомогою 3D-принтерів та інших інструментів з Nebraska Innovation Campus.

У результаті, як сказав Торрес-Родрігес, «UNL створив найбільший у світі набір даних вимірювань експресії генів кукурудзи».

«Володимиру довелося створити конвеєр програмного забезпечення для аналізу цих даних», — сказав Шнабл про інновації Торреса-Родрігеса. Робота вимагала «перепрофілювання інших інструментів, пошуку інших способів обробки даних, а потім визначення всіх нових етапів контролю якості, щоб переконатися, що все працює належним чином». Це було дивовижне починання».

Торрес-Родрігес продовжить проект генетичним аналізом додаткових ознак кукурудзи. Мета, сказав Шнабл, полягає в тому, щоб «пересвідчитися, що через десятиліття, коли фермер із Небраски керуватиме своїм трактором, кукурудза, яку садять, матиме генетику, щоб добре працювати та переносити суворіші умови».

UNL позиціонує себе як провідну дослідницьку установу, до якої компанії, від корпоративних гігантів до невеликих стартапів, можуть звернутися за наборами даних, орієнтованими на кукурудзу, досвідом або підтримкою на місцях. Перший приклад такого співробітництва з приватним сектором допоміг запустити цей проект. Шнабл працював з Бредом Замфтом, вченим із Каліфорнії, який керував командою, яка розробляла нові інструменти на основі штучного інтелекту для сільського господарства.

«Бред попросив мене надати більший набір даних», — сказав Шнабл. «На той час ми використовували найбільший набір даних такого роду, який існував у державному секторі. Він подумав про це на мить, а потім запитав, скільки буде коштувати, щоб зробити це правильно?»

Зрештою пара працювала разом, щоб отримати грант у розмірі 650 000 доларів для проекту через програму «Агентство передових дослідницьких проектів Міністерства енергетики США – Енергетика».

«Я не сумніваюся, що Університет Небраски — це потужний центр сільськогосподарських технологій», — сказав Замфт, керівник проекту біології стелс-рослин у X, підрозділі «фабрики місячних пострілів» Alphabet, який вивчає ряд наукових інновацій, -«Досвід, який ми набули, співпраця, в якій ми брали участь, була надзвичайно продуктивною, і я думаю, що вона може мати реальний вплив на світ. Я не впевнений, що наша команда змогла б зайти так далеко без підтримки дослідників з університету».

Шнабл сказав, що у UNL є реальна можливість.

«Ми хочемо бути і ми стаємо місцем, куди люди з усієї країни приїжджають, щоб провести передові дослідження кукурудзи», — сказав він.