Genom rośliny kukurydzy zawiera prawie 40 000 genów, o tysiące więcej niż genom ludzki. Jednak 15 lat po opublikowaniu pierwszego szkicu genomu kukurydzy rola 98% tych genów w tworzeniu rośliny kukurydzy lub określaniu, jak kukurydza zareaguje na różne warunki uprawy, pozostaje nieznana.

Konwencjonalne metody ustalania funkcji każdego genu okazały się powolne i kosztowne, ale naukowcy z firmy Husker zrobili ogromny krok naprzód w identyfikowaniu funkcji genów kukurydzy. Pracami kierował Vladimir Torres-Rodriguez, współpracownik ze stopniem doktora współpracujący z Jamesem Schnablem, profesorem i specjalistą ds. genetyki kukurydzy na Wydziale Agronomii i Ogrodnictwa Uniwersytetu Nebraska – Lincoln.

Ich odkrycia, opublikowane niedawno w The Plant Journal, mogą doprowadzić do szybszego tworzenia bardziej odpornych odmian kukurydzy i szerszego dostępu producentów do ulepszonych upraw poprzez szybszą i dokładniejszą identyfikację funkcji poszczególnych genów kukurydzy. Torres-Rodriguez jest głównym autorem artykułu: „Ekspresja genów na poziomie populacji może wielokrotnie łączyć geny z funkcjami kukurydzy”.

Technika, którą opracował i przetestował wraz z zespołem badaczy zajmujących się kukurydzą z laboratorium Schnable, wykorzystuje raczej RNA niż DNA. Dzięki temu innowacyjnemu podejściu zidentyfikowano około 10 razy więcej genów kukurydzy wpływających na czas kwitnienia niż powszechnie stosowane metody identyfikacji genów oparte na DNA.

Lepsze poznanie funkcji genów mogłoby obniżyć koszty wprowadzenia na rynek odmian kukurydzy zmodyfikowanych genetycznie, co przełożyłoby się na większą konkurencję i lepsze ceny dla rolników, powiedział Schnable, który w zeszłym roku przyczynił się do przełomowego ukończenia mapowania genomu kukurydzy.

Tylko garstka dużych firm nasiennych ma środki, aby zainwestować setki milionów dolarów w rozwój nowych produktów skoncentrowanych na genach. Jednak szybsze i dokładniejsze podejście, takie jak to zademonstrowane przez UNL, mogłoby obniżyć koszty i otworzyć rynek.

Aby umożliwić realizację tego projektu, zespół Husker zmierzył poziom RNA ponad 39 000 genów kukurydzy w każdej z około 700 odmian kukurydzy, korzystając z roślin uprawianych na uniwersyteckiej farmie Havelock Farm w Lincoln. Naukowcy połączyli pomiary RNA z pomiarami samych roślin kukurydzy, zebranymi zarówno w Lincoln, jak i przez współpracowników z Michigan State University.

Realizacja projektu wymagała nowego podejścia nie tylko do komputerów, ale także w terenie, powiedział Schnable, przewodniczący prezydencki Nebraska Corn Checkoff. Zespół musiał pobrać próbki z każdej rośliny kukurydzy w czasie krótszym niż dwie godziny i szybko je zamrozić, zanim warunki środowiskowe będą mogły szybko rozbić RNA, który był kluczem do analizy Torresa-Rodrigueza.

Osiągnięcie tych warunków wymagało specjalnego sprzętu zaprojektowanego przez Jonathana Turkusa, kierownika badań współpracującego ze Schnable w uniwersyteckim Centrum Innowacji w Naukach o Roślinach. Turkus wyprodukował sprzęt, korzystając z drukarek 3D i innych narzędzi z przestrzeni twórców Nebraska Innovation Campus.

W rezultacie, jak stwierdził Torres-Rodriguez, „UNL stworzył największy na świecie zestaw danych dotyczących pomiarów ekspresji genów kukurydzy”.

„Vladimir musiał zbudować potok oprogramowania, aby analizować te dane” – Schnable powiedział o innowacjach Torresa-Rodrigueza. Praca wymagała „zmiany przeznaczenia innych narzędzi, znalezienia innych sposobów przetwarzania danych, a następnie opracowania wszystkich nowych kroków kontroli jakości, aby upewnić się, że wszystko działa prawidłowo. To było niesamowite przedsięwzięcie.”

Torres-Rodriguez będzie kontynuować projekt, przeprowadzą analizę genetyczną dodatkowych cech kukurydzy. Celem, jak powiedział Schnable, jest „zapewnienie, że za kilkadziesiąt lat, kiedy rolnik z Nebraski będzie jeździł swoim traktorem, sadzona kukurydza będzie miała genetykę niezbędną do dobrego funkcjonowania i tolerowania trudniejszych warunków”. Schnable powiedział, że dzięki projektom takim jak ten UNL pozycjonuje się jako instytucja badawcza, do której firmy, od gigantów korporacyjnych po małe start-upy, mogą się zwrócić po zbiory danych dotyczące kukurydzy, specjalistyczną wiedzę lub wsparcie w terenie.

Wczesny przykład takiej współpracy z sektorem prywatnym pomógł w uruchomieniu tego projektu. Schnable współpracował z Bradem Zamftem, naukowcem z Kalifornii, kierującym zespołem opracowującym nowe narzędzia oparte na sztucznej inteligencji dla rolnictwa.

„Brad poprosił mnie o większy zbiór danych” – powiedział Schnable. „W tamtym czasie korzystaliśmy z największego tego rodzaju zbioru danych, jaki istniał w sektorze publicznym. Myślał o tym przez chwilę, a następnie zapytał, ile będzie kosztować zrobienie tego dobrze?

Ostatecznie obie strony współpracowały, aby zapewnić projektowi grant w wysokości 650 000 dolarów w ramach programu Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych – Energia.

„Nie mam wątpliwości, że Uniwersytet Nebraski jest potęgą w dziedzinie technologii rolniczej” – powiedział Zamft, kierownik projektu ukrytego projektu biologii roślin w X, oddziale „moonshot fabryki” Alphabet, badającym szereg innowacji naukowych. „Doświadczenie, którego doświadczyliśmy, oraz współpraca, w którą się zaangażowaliśmy, okazały się niezwykle produktywne i moim zdaniem mogą mieć realny wpływ na świat. Nie jestem pewien, czy nasz zespół byłby w stanie dotrzeć tak daleko bez wsparcia naukowców z uniwersytetu”.

Schnable powiedział, że UNL ma realną szansę.

„Chcemy być i stajemy się miejscem, do którego przybywają ludzie z całego kraju, aby przeprowadzić najnowocześniejsze badania nad kukurydzą” – powiedział.