Геномика в точном сельском хозяйстве: повышение продовольственной безопасности

Геномика как краеугольный камень современных пищевых систем

Глобальная продовольственная система сталкивается с беспрецедентным давлением. Проекты Организации Объединенных Наций, согласно которым к 2050 году сельскохозяйственное производство должно увеличиться примерно на 60 процентов, чтобы прокормить население, приближающееся к 10 миллиардам, все это в то время как изменение климата усиливает засухи, наводнения и вспышки вредителей. Традиционные методы селекции, которые полагаются на фенотипический отбор в течение нескольких поколений, слишком медленны, чтобы идти в ногу с этими проблемами. Геномика - всестороннее исследование всей последовательности ДНК организма - предлагает смену парадигмы. Расшифровывая генетические чертежи сельскохозяйственных культур и скота, ученые и фермеры теперь могут идентифицировать, выбирать и даже редактировать конкретные гены, которые контролируют такие черты, как урожайность, засухоустойчивость, устойчивость к болезням и качество питания. Эта точность открывает потенциал для разработки устойчивых, высокоэффективных сортов за долю времени, ранее необходимого, непосредственно повышая глобальную продовольственную безопасность.

Интеграция геномики в сельское хозяйство — это не просто академическое упражнение; это практический, масштабируемый подход, лежащий в основе следующего поколения систем сельского хозяйства. От мелких фермерских хозяйств в Африке к югу от Сахары до крупномасштабных операций на американском Среднем Западе, геномные инструменты позволяют принимать более обоснованные решения о том, какие сорта сажать, как управлять почвой и водой и как защищать скот от возникающих заболеваний. Поскольку стоимость секвенирования продолжает падать, а аналитика данных становится более сложной, геномика переходит из исследовательской лаборатории в поле, выполняя свое обещание как краеугольный камень точного сельского хозяйства.

Понимание геномных рамок в сельском хозяйстве

В своей основе геномика включает в себя секвенирование, сборку и анализ полного набора ДНК — генома — организма. Для сельскохозяйственных видов это включает как ядерный геном, так и геномы хлоропластов и митохондрий. Ключевое понимание заключается в том, что вариации последовательностей ДНК (аллелей) среди людей в значительной степени ответственны за различия в наблюдаемых признаках (фенотипах). Связывая специфические генетические маркеры с желательными признаками с помощью таких методов, как исследование геномных ассоциаций (GWAS) и количественное отображение локуса признаков (QTL), заводчики получают молекулярную дорожную карту.

В отличие от более старых молекулярных маркеров (например, RFLP, AFLP), которые были дорогими и малопроизводительными, современные однонуклеотидные полиморфные массивы (SNP) и секвенирование целого генома обеспечивают миллионы точек данных на образец. Эти наборы маркеров высокой плотности позволяют исследователям учитывать сложную, полигенную природу большинства агрономически важных признаков. В животноводстве, например, скорость роста, производство молока и эффективность кормов контролируются десятками или сотнями генов, каждый с небольшим эффектом. Геномный отбор использует все доступные маркеры одновременно для расчета геномной оценочной ценности селекции (GEBV), резко повышая точность отбора по сравнению с методами, основанными на родословной.

Точное сельское хозяйство: экосистема, управляемая данными

Точность сельского хозяйства (ПД) относится к использованию информационных технологий, датчиков и анализа данных для оптимизации входов (семена, воды, удобрений, пестицидов) на уровне подполей, максимизации эффективности и минимизации воздействия на окружающую среду. Геномика легко интегрируется в эту структуру, обеспечивая слой биологического интеллекта. В сочетании с почвенными картами, данными о погоде и изображениями дистанционного зондирования геномная информация позволяет принимать решения по управлению конкретными участками. Например, фермер может посадить засухоустойчивый гибрид кукурузы в песчаных, низкодоходных зонах поля и высокоурожайный сорт в орошаемых, плодородных районах - и знать с генетической уверенностью, какой гибрид подходит для каждой зоны.

Эта синергия распространяется на операции по животноводству, где геномика информирует об индивидуальных режимах кормления, планах разведения и вмешательствах в здоровье. Датчики на носимых воротниках или в доильных салонах захватывают данные в реальном времени о активности, размышлении и составе молока; геномные профили затем предсказывают, какие животные с наибольшей вероятностью положительно реагируют на данное лечение или диету. Результатом является система замкнутого цикла, где генетический потенциал систематически разблокируется и контролируется.

Ключевые геномные инструменты и методы в сельском хозяйстве

Маркер-ассистированный отбор (MAS)

Маркерный отбор использует молекулярные маркеры, тесно связанные с генами, представляющими интерес, для отбора лиц, несущих благоприятные аллели, не дожидаясь полной фенотипической экспрессии. Этот метод особенно эффективен для признаков, которые трудно или дорого измерить — таких как корневая архитектура, эффективность использования азота или устойчивость к почвенным патогенам. Например, заводчики общей фасоли (FLT:0) Phaseolus vulgaris ] использовали MAS для интрогрессии генов устойчивости против углового листового пятна и вируса общей мозаики бобов в элитные сорта, уменьшая потребность в фунгицидах и инсектицидах. MAS наиболее эффективен для качественных признаков, контролируемых несколькими основными генами, но его применение к количественным признакам ограничено без очень плотных карт маркеров.

Геномный отбор (GS)

Геномный отбор представляет собой скачок вперед. Вместо того, чтобы сосредотачиваться на статистически значимых маркерах, GS использует все маркеры (независимо от размера эффекта) для обучения модели прогнозирования на эталонной популяции генотипированных и фенотипированных особей. После разработки модели новые кандидаты на отбор должны быть только генотипированы; их GEBV рассчитываются по модели, позволяя селекционерам выбирать лучших особей на ранних этапах цикла размножения. GS может сократить продолжительность цикла размножения пополам для многих культур, таких как пшеница и кукуруза. В молочном скоте GS уже произвела революцию в селекции сиров, удвоив скорость генетического прироста для молочного урожая за последнее десятилетие. Международный центр улучшения кукурузы и пшеницы (CIMMYT) реализовал GS в своих программах по разработке устойчивых к климату сортов для развивающихся стран, демонстрируя, что технология может быть передана для разведения в государственном секторе.

Редактирование генов (CRISPR-Cas9)

Инструменты редактирования генов, особенно CRISPR-Cas9, позволяют точно, целенаправленно модифицировать ДНК организма. В отличие от трансгенных ГМО, редактирование генов может вносить изменения, которые неотличимы от естественных мутаций — например, выбивать ген восприимчивости к болезни или редактировать промотор для увеличения экспрессии гена засухоустойчивости. В сельском хозяйстве CRISPR использовался для создания некоричневых грибов, высокоолеиновой сои и устойчивых к болезням какао. Возможно, наиболее эффективное применение заключается в разработке культур, устойчивых к грибковым патогенам без необходимости химических фунгицидов. Например, исследователи из Университета Квинсленда использовали CRISPR для редактирования гена MLO в пшенице, придавая устойчивость к порошковой плесени — черта, которая потребовала бы десятилетий для достижения через обычное скрещивание. Регулирующие рамки во многих странах, включая Соединенные Штаты и Японию, развиваются для лечения определенных продуктов с редактированием генов как обычные сорта, ускоряя

Приложения в улучшении урожая: тематические исследования

Геномные инструменты активно меняют программы разведения основных основных культур. В рисе полукарликовый ген Green Revolution sd1 хорошо известен, но с тех пор геномные подходы выявили десятки дополнительных локусов, контролирующих компоненты урожайности. Международный исследовательский институт риса (IRRI) теперь регулярно использует геномный отбор для разработки устойчивых к погружениям и солеустойчивых сортов, помогая фермерам в подверженных наводнениям и прибрежных районах поддерживать производительность. В маниоки, критической культуре продовольственной безопасности в Африке, геномный отбор был применен для повышения устойчивости к мозаичной болезни маниоки и коричневой болезни маниоки, двум вирусным угрозам, которые ежегодно вызывают потери в миллиарды долларов.

Другим убедительным примером является разработка «умных» сортов пшеницы перед лицом теплового стресса. Консорциум во главе с Университетом Небраски-Линкольна объединил исследования геномной ассоциации с моделированием окружающей среды для точного определения аллелей, которые придают термотолерантность к цветению. Укладывая эти благоприятные аллели через перекрестие с помощью маркеров, они создали линии, которые при жарких условиях давали на 15-20 процентов больше, чем стандартные сорта. Такие целевые улучшения необходимы, поскольку средние глобальные температуры повышаются, а экстремальные тепловые явления становятся более частыми.

Геномика в животноводстве

Геномные применения в животноводстве, возможно, даже более продвинуты, чем в сельскохозяйственных культурах, обусловленные высокой экономической ценностью отдельных животных и наличием надежных эталонных популяций. В молочном скоте Совет по молочному скотоводству (CDCB) в Соединенных Штатах поддерживает национальную систему геномной оценки с ГЭБВ для признаков, включая урожайность молока, количество соматических клеток (показатель устойчивости к маститу) и продуктивную жизнь. Молодые быки генотипируются при рождении, а те, у кого превосходные ГЭБВ используются в качестве сиров, резко сокращая интервал генерации. Результатом стало трехкратное увеличение скорости генетического прогресса для урожайности молока по сравнению с традиционным тестированием потомства.

У говядины скота геномный отбор набирает обороты для таких признаков, как мраморность (внутримышечный жир), эффективность корма и легкость отела. Производители теперь могут покупать молодых быков с геномными прогнозами, снижая риск плохой работы. Для свиней и птицы, где преобладают большие популяции и высокие показатели размножения, геномная информация используется для управления генетическим разнообразием и выбора для устойчивости к болезням, такой как устойчивость к репродуктивному и респираторному синдрому свиней (PRRS) у свиней. Исследователи из Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США определили конкретный аллель в гене CD163 , который придает устойчивость к PRRS, и в настоящее время изучается редактирование генов для введения этого аллеля в коммерческие линии.

Преимущества для глобальной продовольственной безопасности

Интеграция геномики в точное сельское хозяйство напрямую затрагивает несколько столпов продовольственной безопасности: доступность, доступ, использование и стабильность. Ускоряя развитие стрессоустойчивых и высокоурожайных сортов, геномика увеличивает общее количество продуктов питания, производимых на единицу земли, труда и воды. Это особенно важно в регионах, где пахотные земли ограничены и изменчивость климата высока. В странах Африки к югу от Сахары, где урожайность кукурузы колеблется около 2 тонн на гектар (по сравнению с 10+ тоннами в оптимальных условиях), геномный отбор для засухоустойчивости и эффективности использования азота может сократить разрыв в урожайности на 30-50 процентов.

Улучшение питания, или биоукрепление, является еще одним прямым преимуществом. Геномные инструменты использовались для увеличения содержания железа и цинка в жемчужном просе, провитамина А в маниоки и фолиевой кислоты в рисе. Программа HarvestPlus опиралась на селекции с использованием маркеров для разработки железо-биоукрепленных бобов, которые в настоящее время выращиваются миллионами мелких фермеров в Руанде и Демократической Республике Конго. Улучшение питания снижает распространенность дефицита микроэлементов, которые поражают более двух миллиардов человек во всем мире и способствуют задержке роста детей, материнской смертности и нарушению когнитивного развития.

Наконец, геномика повышает устойчивость и стабильность производства продуктов питания за счет снижения зависимости от химических веществ. Устойчивые к болезням сорта требуют меньшего количества фунгицидов и бактерицидов, снижения производственных затрат и загрязнения окружающей среды. В животноводстве геномный отбор для эффективности кормов снижает выбросы метана и землепользование, согласовывая сельскохозяйственную практику с климатическими целями. По мере того, как экстремальные погодные явления становятся все более распространенными, наличие разнообразного набора генетически устойчивых сортов в банках семян и на фермах гарантирует, что продовольственные системы могут быстро восстановиться после потрясений.

Проблемы и этические соображения

Несмотря на свои обещания, широкое внедрение геномики в сельском хозяйстве сталкивается с существенными препятствиями. Стоимость генотипирования, хотя и снижается, остается барьером для многих государственных программ селекции в странах с низким уровнем дохода. Один массив SNP может стоить $30-50 за образец, а секвенирование целого генома может стоить $100 и более. Для программы, обрабатывающей десятки тысяч кандидатов на отбор ежегодно, это быстро складывается. Кроме того, вычислительная инфраструктура и опыт биоинформатики, необходимые для анализа больших наборов геномных данных, по-прежнему скудны во многих развивающихся регионах. Без целевых инвестиций в наращивание потенциала преимущества геномики рискуют быть захваченными в первую очередь более богатыми странами и крупными семенными компаниями, усугубляя существующее неравенство.

Этические и нормативные проблемы также вырисовываются на первый план. Редактирование генов, в частности, поднимает вопросы о нецелевых эффектах, непреднамеренных последствиях для биоразнообразия и патентовании генетических последовательностей. Патентный ландшафт CRISPR сложен, с несколькими сторонами, имеющими пересекающиеся претензии, и это может задушить инновации или привести к монополистическому контролю над основными технологиями. Общественное восприятие широко варьируется; в то время как некоторые потребители принимают редактирование генов как расширение обычного разведения, другие по-прежнему настороженно относятся к любой генетической модификации, независимо от техники. Для построения доверия необходимы четкие, научно обоснованные стратегии маркировки и коммуникации.

Использование геномики для быстрого распространения нескольких элитных сортов может ускорить генетическую эрозию, уменьшая постоянную вариацию, которая обеспечивает буфер против будущих стрессов. Сохранение ex situ в генных банках и сохранение in situ через программы совместного разведения должны сопровождать усилия по геномному разведению. Комиссия ФАО по генетическим ресурсам для продовольствия и сельского хозяйства подчеркивает необходимость интеграции геномики со стратегиями сохранения для поддержания адаптивного потенциала сельскохозяйственных видов.

Будущие направления: сближение геномики и цифрового сельского хозяйства

Заглядывая в будущее, сближение геномики с другими цифровыми технологиями позволит разблокировать еще большую точность. Алгоритмы машинного обучения теперь могут с большей точностью прогнозировать фенотип из генотипа, позволяя «цифровым двойникам» культур, которые имитируют рост при различных сценариях управления. Дроны и спутники, оснащенные гиперспектральными датчиками, могут обнаруживать тонкие различия в физиологии растений, которые коррелируют с конкретными генетическими вариантами, что позволяет проводить неинвазивное фенотипирование в масштабе. Эта интеграция уменьшает узкое место фенотипирования поля, которое исторически было самым медленным шагом в цикле размножения.

Другой рубеж — применение пангеномики. Вместо того, чтобы полагаться на один эталонный геном, пангеномика каталогизирует весь набор генов во всех разновидностях вида, включая «необходимый» геном, который присутствует только в определенных линиях. Этот подход показал, что многие важные черты — такие как устойчивость к грибковому патогену Fusarium graminearum в пшенице — управляются генами, которые не присутствуют в эталонном геноме. Включая пангеномные данные в модели селекции, селекционеры могут захватить ранее упущенную генетическую вариацию.

Наконец, синтетическая биология может вскоре позволить ученым разработать совершенно новые метаболические пути в культурах. Например, исследователи из Центра Джона Иннеса успешно перенесли путь фиксации азота из бобовых в зерновые, прорыв, который может уменьшить потребность в синтетических азотных удобрениях на миллиарды тонн ежегодно. Пока еще на ранних стадиях такая работа демонстрирует, что геномика заключается не только в чтении кода природы, но и в переписывании его для удовлетворения потребностей человечества.

Заключение

Геномика перешла от передового опыта фундаментальной науки к основному инструменту современного сельского хозяйства. Благодаря точному отбору на уровне ДНК она ускоряет развитие сельскохозяйственных культур и скота, которые являются более продуктивными, устойчивыми и питательными. В сочетании с экосистемой данных точного сельского хозяйства геномная информация дает фермерам возможность принимать решения, ориентированные на конкретные места, которые оптимизируют вводимые ресурсы и минимизируют ущерб окружающей среде. Преимущества для глобальной продовольственной безопасности - увеличение урожайности, улучшение питания, сокращение отходов и адаптация к климату - глубоки и срочно необходимы.

Однако реализация этого потенциала требует целенаправленных действий. Инвестиции в геномную инфраструктуру, обучение и справедливый доступ должны быть приоритетными правительствами, международными организациями и частным сектором. Нормативно-правовые рамки должны быть прозрачными и соразмерными риску для стимулирования инноваций при одновременной защите биоразнообразия и общественного доверия. Только путем включения геномики в целостную стратегию, которая включает в себя услуги по сохранению, расширению и социально-экономическую поддержку, мы можем обеспечить, чтобы эта мощная технология способствовала будущему, безопасному для продуктов питания для всех. Полезной отправной точкой для дальнейшего чтения является доклад ФАО по сельскохозяйственной геномике и Обзор природы геномного отбора в селекции сельскохозяйственных культур .