КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-16-00030

НазваниеПолногеномный поиск ассоциаций и изучение механизмов устойчивости льна к фузариозному увяданию

РуководительСамсонова Мария Георгиевна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", г Санкт-Петербург

Годы выполнения при поддержке РНФ 2019 - 2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-106 - Растениеводство

Ключевые словален, полногеномный поиск ассоциаций, фузариозное увядание, сборка геномов, транскриптомика, генетическое разнообразие, взаимодействие патогена с растением‒хозяином, генные сети, селекция

Код ГРНТИ68.03.03


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В этом проекте методы современной геномики, анализа больших массивов данных и фенотипирования будут применены для характеризации обширной коллекции Всероссийского научно‒исследовательского института льна (ВНИИЛ) и для выявления генов и районов генома, контролирующих важные агрономические признаки и реакцию растения на фузариозную инфекцию, которые бы уникально годились для улучшения этой стратегически важной для России и в мировом масштабе культуры. Будет также выполнена сборка генома Fusarium oxysporum f. sp. lini, охарактеризованы его генетическая вариабельность на популяционном уровне и патоген‒специфичные транскрипты при инфекции, реконструирована сеть взаимодействия генов вирулентности и генов растения-хозяина при инфекции. Будет также исследована роль метилирования ДНК в ответе растений льна на инфекцию. Все это позволит разработать эффективную стратегию длительного контроля заболевания путем подбора оптимальных комбинаций генов устойчивости. Удовлетворение пищевых потребностей растущего населения при ограниченном объеме земельных и водных ресурсов на фоне происходящих климатических изменений является главной проблемой 21 века. Это требует интенсивного развития сельского хозяйства, повышения устойчивости растений к болезням и стрессовым факторам среды. Однако, в результате Зеленой революции, генетическое разнообразие, благодаря которому растения адаптируются к новым условиям, было утрачено, и, как следствие, сельское хозяйство лишилось традиционного ресурса, используемого в селекции. Как правило, современные сорта сельскохозяйственных культур создаются путем скрещивания относительно близкородственных генотипов с использованием различных методов отбора в зависимости от биологии культуры. Эти селекционные схемы очень редко включают в себя генетически более разнообразные, но менее продуктивные староместные формы. Ярким примером тому может служить лен. К примеру, кряжевые формы льна, созданные в результате отбора растений, осуществляемого крестьянством России на протяжении нескольких сотен лет, которые наряду с непревзойденными качественными параметрами льноволокна обладают ко‒адаптивными блоками генов, практически не используются из-за невысокой их продуктивности. В результате сокращения генетического разнообразия культивируемых сортов льна, снижается как адаптивный потенциал, так и качество льнопродукции. Имеется опасность снижения устойчивости культуры к стрессовым воздействиям, в том числе болезням, проявление которых усиливается вследствие изменения климата. Лен ‒ одна из важнейших культур, как в России, так и других странах. Лен-долгунец является источником натурального волокнистого сырья, обладающего уникальными санитарно-гигиеническими и потребительскими свойствами. В современных условиях лен-долгунец рассматривается как стратегическая культура России, позволяющая заменить хлопок-сырец, который перешел в разряд импортного сырья. Лен масличный используется для производства семян, которые характеризуются ценными пищевыми, лечебно-профилактическими и иными свойствами. В этой перспективе существует настоятельная необходимость вновь ввести генетическую изменчивость в линии льна культурного. В этом проекте мы ориентируемся на подход, который не связан с политическими последствиями использования ГМО, находится на переднем крае создания новых сортов в агробиологии в мире и основан на учете биоразнообразия и на воссоздании исходной генетической вариабельности, в значительной мере утерянной со временем. Для этого мы предлагаем использовать огромный резерв генетической изменчивости вида Linum usitatissimum L., сохраняемый во ВНИИЛ, в сочетании с современными методами геномики и биоинформатики. Важно, что коллекция ВНИИЛ является одной из крупнейших в мире и охватывает практически все генетическое разнообразие этой культуры. Более того, во ВНИИЛ проведен скрининг коллекции на устойчивость к основным грибным заболеваниям и выявлены высокоустойчивые образцы, а также имеется коллекция микроорганизмов - возбудителей болезней льна, охарактеризованная по культурально-морфологическим и вирулентным свойствам. Фузариозное увядание льна является наиболее разрушительным и широко распространенным заболеванием, как в условиях Российской Федерации, так и других льносеющих странах мира. Основной возбудитель этой болезни гриб F. oxysporum, который входит в десятку наиболее опасных патогенов растений. Сорта масличного льна, включенные в Госреестр РФ, как правило, в средней степени поражаются фузариозным увяданием. Большая часть современных отечественных сортов льна-долгунца характеризуются высокой либо средней устойчивостью к фузариозному увяданию. Однако существует опасность развития эпифитотий заболевания из-за нестабильности расового состава популяции возбудителя и из-за существенной генетической однородности сортового материала. Данная ситуация усугубляется усиливающим развитием заболеваний сельскохозяйственных культур, что связано с изменением климата. Ожидаемое глобальное потепление климата может привести к усилению агрессивности отдельных рас возбудителя и потери сортами устойчивости детерминируемой одним-двумя генами. В связи с этим необходимо принятие упреждающих мер, а именно, охарактеризовать расовый состав популяции патогена на геномном уровне для создания сортов прядильного и масличного льна, обладающих различными эффективными генами устойчивости к патогену и с оптимальными комбинациями этих генов. Приоритетными направлениями в селекции льна является увеличение содержания и качества волокна, создание сортов с различным химическим составом семян, устойчивых к абиотическому и биотическому стрессу, создание сортов, адаптированных к новым условиям произрастания, в том числе, к северным районам с коротким фотопериодом. Для решения этих селекционных задач мы применим инновационный метод селекции ‒ полногеномный поиск ассоциаций (GWAS). Этот метод, базирующийся на использовании геномики и математической статистики, позволит идентифицировать гены, контролирующие образование и качество волокна, расширить наши знания об аллельном разнообразии и регуляции генов, участвующих в синтезе жирных кислот, выявить гены и аллели, контролирующие устойчивость льна к фузариозу, а также понять механизмы устойчивости к фузариозному увяданию на системном уровне. Мы также исследуем очень важные научные проблемы, которые до сегодняшнего дня не были достаточно изучены. Будет изучен генетический контроль морфологических и агрономически важных признаков, расширены наши знания о разнообразии генов, контролирующих качество волокна, биосинтез жирных кислот и другие важные агрономические признаки. Мы также поймем принципы организации генома Fusarium oxysporum f. sp. lini, охарактеризуем его генетическую вариабельность, поймем, как растение‒хозяин защищает себя от инфекции и как патоген инфицирует растение, реконструируем сеть взаимодействия генов вирулентности и генов растения-хозяина. Новизна нашего проекта состоит также в том, что мы выявим генетические особенности коэволюции генов вирулентности и устойчивости, связанные с окультуриванием и региональной диверсификацией льна. Помимо этого будет иссследована роль метилирования ДНК в ответе растений льна на инфекцию, что в перспективе может способствовать вовлечению наследуемых в ряду поколений эпигенетических модификаций в селекционный процесс. Привлечение полученных в проекте данных в селекцию льна поставит ее на качественно новый уровень и явится прорывной технологией.

Ожидаемые результаты
В этом проекте будет использована информация о геноме, популяционной структуре и фенотипических признаках льна для того, чтобы на основе геномного анализа и технологий предсказательной аналитики создать перспективный исходный материал для создания новых сортов. Мы планируем применить полногеномный поиск асссоциаций с тем, чтобы связать генетические полиморфизмы с изменчивостью агрономических признаков, а также факторов внешней среды (климат и наличие патогенов). Такое всестороннее осмысленное изучение аллельного разнообразия коллекции льна ВНИИЛ 1) позволит наметить эффективные и быстрые стратегии маркерной и геномной селекций с использованием еще неосвоенных генетических ресурсов, сохраняемых ex situ и 2) обеспечит для отечественного льноводства выход на лидирующие позиции в мире, поскольку коллекция ВНИИЛ ‒ крупнейшая в мире и ни одна другая страна и ни одна другая компания не имеют даже похожего ресурса. Мы также выполним сборку генома Fusarium oxysporum f. sp. lini, охарактеризуем его генетическую вариабельность на популяционном уровне, проанализируем транскриптом растения‒хозяина и гриба, реконструируем сеть взаимодействия генов льна и Fusarium oxysporum f. lini, исследуем роль метилирования ДНК в экспрессии генов льна при инфекции. Это позволит не только выработать эффективную стратегию длительного контроля заболевания путем подбора оптимальных комбинаций генов устойчивости, но и ответить на многие фундаментальные вопросы о механизмах взаимодействия организма‒хозяина (растений льна) и патогена: Какие районы генома гриба и какие гены вовлечены в инфекцию? Как Fusarium oxysporum f. sp. lini инфицирует растения? Какова вариабельность важных для инфекции районов и как они коэволюционируют с генами устойчивости растения? Как растение‒хозяин защищает себя от инфекции и каковы механизмы устойчивости к ней? Какие районы растения-хозяина вовлечены в механизм устойчивости? Как коэволюционируют гены вирулентности гриба и гены устойчивости растения? Играет ли метилирование ДНК важную роль в ответе растений льна на инфекцию? Ответ на эти вопросы в свою очередь сделает возможным создание устойчивых линий льна за счет таргетированного действия, например, на узнающие патоген рецепторы, или MAP/His киназы ‒ центральные регуляторы генов вирулентности гриба, либо путем таргетированного редактирования генома гриба с использованием технологии CRISPR/Cas9, или путем селекции эпигенетических изменений в ряду поколений.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проведены испытания 406 образцов вида Linum usitatissimum L. в полевых условиях, посев проведен по типу луночного питомника с площадью питания 1 растения для льна-долгунца 2,5 х 2,5 см и льна масличного - 2,5 х 5,0 см. В результате оценки репрезентативной выборки из мирового генофонда культуры, куда вошли отечественные и зарубежные сорта, селекционные линии прядильного и масличного льна, местные и кряжевые формы различного эколого-географического происхождения, установлен диапазон изменчивости основных морфологических признаков, определяющих продуктивность семян и волокна, что важно для создания специализированных сортов льна различного назначения. Впервые показано, что важнейшим источником по признакам «сбег» стебля и «длина элементарного волокна» являются кряжевые формы льна-долгунца из России. Установлено, что подавляющее большинство образцов масличного льна имеют низкий «сбег» стебля, следовательно, повышенные его значение у современных сортов льна-долгунца являются результатом искусственного отбора. Наибольшими значениями по данному признаку обладают преимущественно сорта льна-долгунца китайской селекции. Из генофонда масличного льна выявлены высокорослые образцы с повышенным содержанием волокна в стебле и повышенной длиной элементарных волокон, что позволяет рассматривать данную культуру, как дополнительный источник волокнистого сырья. Исследованы культуральные и вирулентные свойства штаммов гриба Fusarium oxysporum f. lini №№ 282, 283, 287, 324, 329 и моноизолята № 39.2.1 из «Коллекции микроорганизмов - возбудителей болезней льна». Установлено, что данные биообразцы различаются по культурально-морфологическим признакам и являются высоковирулентными. В результате оценки образцов мирового генофонда льна из 41 страны мира на устойчивость к фузариозному увяданию на инфекционном фоне с моноизолятом № 39.2.1 F. oxysporum f. lini выявлено: устойчивых - 148 образцов (36,5 %), слабовосприимчивых –25 (6,1 %), средневосприимчивых – 88 (21,7 %), сильновосприимчивых - 145 (35,7%). Из проанализированных 229 образцов льна-долгунца на долю высокоустойчивых генотипов приходится 38,9 %, а из 177 образцов льна масличного - 33,3 %. Это преимущественно сорта и селекционные линии льна-долгунца из России, Р.Беларусь, Польши, Чешской Республики, Японии и Китая, а также льна масличного - из Китая, Канады и США, что указывает на высокую результативность селекции прядильного и масличного льна на устойчивость к данному наиболее вредоносному заболеванию в этих странах. На территории Института льна (г. Торжок) в период с 25 по 26 июня 2019 года было собрано 406 образцов листьев льна (Linum usitatissimum L.). Из собранных образцов была выделена геномная ДНК. Целостность и чистота ДНК, а также концентрация и общий объем позволят провести генотипирование путем секвенирования для каждого образца и дополнительно сделать полногеномное секвенирование части образцов коллекции. Чистая геномная ДНК выделена из сильновирулентных штаммов Fusarium oxysporum f. lini №№ 282, 287, 324, 329 и моноизолята 39. ДНК моноизолята 39 была секвенирована в Университете штaта Орегон, Centre for Genome Research and Biocomputing по технологии PacBio, и ДНК из всех 5 штаммов была секвенированa по технологии Illumina компанией Novogene (Novogene Corporation Inc. ). Проведен анализ данных секвенирования патогенного штамма F391 Fusarium oxysporum f. sp. lini, секвенированного при помощи различных протоколов PacBio и Illumina , а также осуществлена сборка референсного генома гибридным методом. Анализ собранных фрагментов показал их высокое качество (уровень покрытия родственного генома, низкий уровень дупликаций и фрагментации) и применимость для дальнейших исследований по проекту. Oсуществлена сборка геномов 4 вирулентных штаммов Fusarium oxysporum f. sp. lini F329, F32, F282, F287, секвенированных по технологии Illumina. Получены последовательности высокого качества, которые будут в дальнейшем использованы для анализа организации генома гриба.

 

Публикации


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Мы показали, что геном F.oxysporum f. sp. lini подразделяется более чем на два компартмента с разными структурными характеристиками и эволюционной историей. В отличие от генов домашнего хозяйства, члены семейства генов SIX демонстрируют кластеризацию, связанную с хозяином, как показывает филогенетический анализ, что указывает на сильную адаптацию к хозяину. В этом контексте ген SIX7 представляет особый интерес, поскольку его копии расположены на разных хромосомах и он отсутствует в других 4 секвенированных штаммах FOLINI, что указывает на относительно недавнее происхождение и дупликацию этого гена. Функциональный анализ репертуара белков f.spp F. oxysporum показывает доминирующую роль вариабельного компартмента в диверсификации formae specialis. Примечательно, что основной вклад в дивергенцию протеома вносят домены PFAM, связанные со связыванием с ДНК и мобилизацией мобильных элементов, что, возможно, указывает на активную транскрипцию и текущую перетасовку генома в вариабельном компартменте. С использованием технологий PacBio и Illumina секвенированы геномы трех слабовирулентных штаммов F.xysporum f.sp. lini. Успешно отсеквенированы с различными уровнями покрытия 406 образцов льна из коллекции. Получены генетические варианты, позволяющие охарактеризовать генетическое разнообразие сортов а также разработаны системы конвейерной обработки данных для поиска генетических вариантов. Проведены испытания 405 образцов вида Linum usitatissimum L. в полевых условиях, посев проведен с площадью питания 1 растения для льна-долгунца 2,5 х 2,5 см и льна масличного - 2,5 х 5,0 см. В результате оценки репрезентативной выборки из мирового генофонда культуры, куда вошли отечественные и зарубежные сорта, селекционные линии прядильного и масличного льна, местные и кряжевые формы различного эколого-географического происхождения, установлен следующий диапазон изменчивости основных морфологических признаков, определяющих продуктивность семян и волокна: высота растений – 46,2…116 см, вес технической части 1 растения –128,7…976,7 мг., масса волокна – 32,6…225,2 мг., содержание волокна в стебле – 17,46…41,90 %, количество коробочек – 1,0…16,0 шт. и семян – 8,0…125,8 шт. на растении, масса 1000 семян – 3,60…8,00 г., содержание масла в семенах – 34,1…45,60 %. Впервые проведен скрининг мирового генофонда культуры по «нетрадиционным признакам», определяющим качество волокна, и выявлена их изменчивость в зависимости от генотипа: «сбег» – 0,20…0,81 мм и «мыклость» стебля – 181,3…861,8 ед, длина элементарного волокна – 9,52…17,26 мм, что важно для создания специализированных сортов льна различного назначения. Из генофонда масличного льна впервые выявлены высокорослые образцы – 81,3…93,5 см с повышенным содержанием волокна в стебле – 25,54…30,11 % и повышенной длиной элементарных волокон 14,20…15,59 мм, что позволяет рассматривать данную культуру, как дополнительный источник волокнистого сырья. В результате оценки образцов льна выделено: устойчивых (поражение фузариозным увяданием от 0 до 20 %) – 161 (39,8 %), слабовосприимчивых – 22 (5,4 %), средневосприимчивых – 55 (13,6 %), сильновосприимчивых – 167 (41,2%) образцов. Из проанализированных 232 образцов льна-долгунца на долю высокоустойчивых генотипов приходится 45,3 %, а из 173 образцов льна масличного – 45,1 %. Это преимущественно сорта и селекционные линии льна-долгунца из России, Р.Беларусь, Польши, Чешской Республики, Японии и Китая, а также льна масличного – из Китая, Канады и США, что указывает на высокую результативность селекции прядильного и масличного льна на устойчивость к данному наиболее вредоносному заболеванию в этих льносеющих странах. Проведен статистический анализ фенотипических признаков образцов мировой коллекции льна (Linum usitatissimum L) по результатам оценки в 2019 году . После обработки фенотипических данных алгоритмом уменьшения размерности tSNE установлено, что все образцы мировой коллекции льна по степени фенотипической схожести образуют три группы: к первой относятся лен-кудряш, межеумки, крупносемянные формы и стелющийся лен; вторая представлена, преимущественно, современными сортами и культурными линиями льнов долгунцов; третья – кряжевыми и местными формами льнов долгунцов. С целью индуцирования генотипической изменчивости проведено выращивание различных сортов льна-долгунца (опыт 1 – Liral Prince, Северная Ирландия; Д-1444-66, Украина; Nike, Польша; Атлант, Г-1071/7, Россия; опыт 2 – Liral Prince, Д-1444-66 и Nike) на селективных фонах, различающихся по минеральному питанию: 1 вариант – контроль (без внесения удобрений), 2 вариант – внесение в почву 1,5 % раствора тройного суперфосфата и 3 вариант – 1,5 % раствора сульфата аммония. Получен семенной материал для проведения дальнейших исследований по выявлению генотрофов льна. Отработана методика получения корней зараженных сильновирулентным штаммом Fusarium oxysporum f. sp. lini растений льна культурного (Linum usitatissimum L.) in vitro. Зараженные корни были успешно использованы для анализа уровней экспрессии генов интереса в системе «растение-патоген». Методом ПЦР продемонстрирована специфическая экспрессия генов гриба в растении, что позволяет говорить об эффективности подобранных праймеров и избранного метода заражения растений.

 

Публикации

1. - Российские ученые впервые в мире расшифровали геном льняного гриба-паразита Российский научный фонд, - (год публикации - ).

2. - Российские ученые впервые в мире расшифровали геном льняного гриба-паразита Agroxxi. Агропромышленный портал, - (год публикации - ).

3. Канапин А.А., Самсонова А.А., Рожмина Т.А., Банкин М.П., Логачев А.А., Самсонова М.Г. The Genome Sequence of Five Highly Pathogenic Isolates of Fusarium oxysporum f. sp. lini Molecular Plant-Microbe Interactions, Mol Plant Microbe Interact. 2020 Sep;33(9):1112-1115 (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Выполнены секвенирование и сборка 3 геномов слабо вирулентных штаммов Fusarium oxysporum f.sp. lini. Для обеспечения согласованности в анализе, геномы ранее собранных 4 штаммов, отсеквенированных только с использованием коротких прочтений, были собраны заново с использованием обновлённого программного обеспечения RagTag. Новые алгоритмы предсказания кодирующих последовательностей, реализованные в программе BUSCO (алгоритм metaEUK как альтернатива Augustus, использовавшегося в предыдущих версиях) позволили существенно повысить качество аннотации геномов и кодирующих участков. Используя однонуклеотидные полиморфизмы, мы охарактеризовали генетическое разнообразие в коллекции из 306 образцов льна из Федерального научного центра лубяных культур. Коллекция включает сорта льна из Евразии с большой долей унаследованных русских местных форм, что отличает ее от коллекций, используемых в предыдущих генетических исследованиях. Мы наблюдали значительную дифференциацию популяций масличного льна и льна‒долгунца. Образцы льна-долгунца имеют сильное родство друг с другом, что особенно заметно для кряжевых форм. Неравновесное сцепление у льна убывает значительно быстрее, чем у сои и риса, что означает, что процесс скрининга генов‒кандидатов, контролирующих важные агрономические признаки, будет упрощен, что важно для селекционных программ. Области генома, маркированные сигналами недавней селекции, заметно отличаются у долгунцов и масличных форм, что особенно заметно для хромосом 6 и 15. В этом исследовании мы впервые попытались всесторонне охарактеризовать кряжи, староместные сорта русского происхождения, чтобы пролить свет на их селекционную историю и их связь с современными сортами льна-долгунца. Наши результаты предоставляют убедительные доказательства интрогрессии генетического материала азиатских, русских и, что важно, европейских местных форм в кряжи, подтверждая гипотезу о смешанном происхождении кряжей как из Индо-афганского центра разнообразия, так и из Плодородного полумесяца. Предки современных сортов льна-долгунца также включают местные формы разного происхождения, но вклад русских местных форм и кряжей является наиболее значительным. В качестве первого шага к выявлению генетических факторов, связанных с устойчивостью к фузариозному увяданию, мы провели полногеномный поиск ассоциаций (GWAS) с использованием 297 образцов из коллекции Федерального научного центра лубяных культур, Торжок, Россия. Эти генотипы были инфицированы высоко патогенным штаммом MI39 Fusarium oxysporum f. sp. lini; симптомы заражения регистрировались в течение трех лет подряд. Шесть различных однолокусных моделей, реализованных в пакете GAPIT3 R, были применены к выбранному подмножеству из 72 526 SNP. Всего 15 QTN (нуклеотидов количественных признаков), было обнаружено в течение как минимум двух лет наблюдений, а 8 QTN стабильно обнаруживались при анализе по трем годам. Из них десять QTN занимали область размером 640 т.п.н. в начале хромосомы 1, в то время как остальные QTN локализовались на хромосомах 8, 11 и 13. Все стабильные QTN демонстрируют статистически значимый аллельный эффект по всем 3 годам эксперимента. Важно отметить, что несколько QTN попадают в области, в которых находятся гены, участвующие в распознавании патогенов и иммунном ответе растений, включая KIP1-подобный белок (Lus10025717) и белок NBS-LRR (Lus10025852). Наши результаты позволяют по-новому взглянуть на генетическую архитектуру устойчивости льна к фузариозному увяданию и выявить потенциальные гены-кандидаты для дальнейших углубленных исследований. Анализ ассоциаций был проведен для всех 11 признаков, связанных с качеством волокна льна (Linum usitatissimum L.). Результаты GWAS с использованием шести разных однолокусных моделей выявили 206 значимо ассоциированных QTN, 21 из которых ассоциирован с несколькими признаками. Большинство QTN связаны с технической длиной (69 QTN), длиной элементарного волокна (49 QTN) и количеством волокна (33 QTN). При анализе генов в окрестностях QTN было обнаружено 9 потенциальных генов-кандидатов, ассоциированных с качеством волокна. Результы GWAS с использованием многопризнаковой модели GEMMA выявили 354 QTN. Анализ генов в окрестностях QTN c учетом значения LD для каждой хромосомы позволил обнаружить 30 потенциальных генов-кандидатов, ассоциированных с качеством волокна. Проведены испытания 405 образцов вида Linum usitatissimum L. в полевых условиях, посев проведен с площадью питания 1 растения для льна-долгунца 2,5 х 2,5 см и льна масличного - 2,5 х 5,0 см. В результате оценки репрезентативной выборки из мирового генофонда культуры, куда вошли отечественные и зарубежные сорта, селекционные линии прядильного и масличного льна, местные и кряжевые формы различного эколого-географического происхождения, установлен следующий диапазон изменчивости основных морфологических признаков, определяющих продуктивность семян и волокна: высота растений – 45,9…104,8 см, вес технической части 1 растения –112…995 мг., масса волокна – 19,4…173,2 мг., содержание волокна в стебле – 14,4…31,8%, количество коробочек – 1,4…22,6 шт. и семян – 8,0…156,1 шт. на растении. Впервые проведен скрининг мирового генофонда культуры по «нетрадиционным признакам», определяющим качество волокна, и выявлена их изменчивость в зависимости от генотипа: «сбег» – 0,20…0,81 мм и «мыклость» стебля – 160,1…637,1 ед, длина элементарного волокна – 8,0…16,5 мм, что важно для создания специализированных сортов льна различного назначения. Из генофонда масличного льна впервые выявлены образцы, не уступающие стандарту – сорту льна-долгунца Цезарь по признакам «высота растений», «техническая длина стебля» и «масса волокна», что позволяет рассматривать данную культуру, как дополнительный источник волокнистого сырья. При этом особую ценность представляют образцы Modares (Румыния) и к-2784 (Грузия), обладающие улучшенными прядильными свойствами за счет повышенной длины элементарных волокон и «мыклости» стебля. В результате оценки образцов льна на устойчивость к фузариозному увяданию выделено: устойчивых (поражение от 0 до 20 %) – 190 (46,9 %), слабовосприимчивых – 20 (4,9 %), средневосприимчивых – 63 (15,6 %), сильновосприимчивых – 132 (32,6 %) образца. Из проанализированных 233 образцов льна-долгунца на долю высокоустойчивых генотипов приходится 44,7%, а из 172 образцов льна масличного – 50,0 %. Это преимущественно сорта и селекционные линии льна-долгунца из России, Р. Беларусь, Польши, Франции, Японии и Китая, а также льна масличного – из Канады и США, что указывает на высокую результативность селекции прядильного и масличного льна на устойчивость к данному наиболее вредоносному заболеванию в этих льносеющих странах. Выявлено индуцирование генотипической изменчивости у селекционных линий и сортов льна-долгунца, выращенных при различном диапазоне температур на селективных фонах, различающихся по минеральному питанию: 1 вариант – контроль (без внесения удобрений), 2 вариант – внесение в почву 1,5 % раствора тройного суперфосфата и 3 вариант – 1,5 % раствора сульфата аммония, где основным контролем служил вариант, где посев осуществлялся семенами полученными при репродуцировании этих сортов в оптимальных агроклиматических условиях. При выращивании потомства исследуемых генотипов на оптимальном агрохимическом фоне, в варианте 2 по сравнению с основным контролем отмечалось существенное снижение высоты растений и веса технической части у селекционных форм Liral Prince (Великобритания), Д-1444-66 (Украина), Nike, (Польша) и Г-1071/7 (Россия), которое в зависимости от генотипа составило 13,2…26,4 и 30,7…49,6 % соответственно. У генотипов Liral Prince и Д-1444-66 в варианте 3 наблюдалось увеличение по сравнению с основным контролем вегетационного периода – на 3 и 6 суток, высоты растений – на 4,9 и 6,8 %, а также веса технической части стебля – на 19,7 и 25,6 %, соответственно. При этом сорт льна-долгунца Атлант проявил генетическую стабильность, отклонения от контроля в вариантах 2 и 3 были не значительными. Проанализированы транскроптомы двух сортов масличного льна, устойчивого Atalante и восприимчивого ЛМ 98, а также гриба Fusarium oxysporum f. sp. lini на 3 и 5 сутки заражения высоко вирулентным штаммом MI39. Установлено, что ответ на инфекцию у устойчивого сорта Atalante начинается раньше, чем у чувствительного сорта ЛМ 98. Существенную часть растительных генов с дифференциальной экспрессией при заражении патогеном составляют различные ферменты, по-видимому, принимающие участие в нейтрализации инфекции (например, хитиназа), а также общие факторы реакции на стресс. Аналогично, гены гриба начинают дифференциально экспрессироваться в чувствительном растении позднее, нежели чем в устойчивом. Оценка экспрессии 13 генов, намеченных по результатам полногеномного поиска ассоциаций в качестве кандидатов, потенциально вовлеченных в различные процессы, связанные с реакцией на патоген, показала, что все эти гены, за исключением одного, дифференциально экспрессируются при сравнении растений, зараженных штаммом MI39 и контрольных растений. Этот результат подтверждает функциональную значимость намеченных генов‒кандидатов и позволяет расставить приоритеты при их последующем детальном функциональном анализе. У 100 хорошо секвенированных геномов льна было проанализировано два типа структурной вариации: вариация присутствия/отсутствия генов (PAV) и вариация числа копий (CNV). Показано, что в геномах рассматриваемых образцов льна в сравнении с референсным геномом наблюдаются (1) делеции последовательностей (участков ДНК), (2) вставки новых последовательностей, (3) увеличение числа копий последовательностей. Функциональная аннотация соответствующих районов в референсном геноме и новых последовательностей показала, что они кодируют белки, участвующие в ответе растения на биотический и абиотический стрессы, в энергетическом обмене, вирусной и транспозонной активности, а также в формировании клеточных мембран. Выявленные функции могут свидетельствовать об адаптации сортов к региональным условиям выращивания посредством структурной изменчивости.

 

Публикации

1. Дук М.А., Канапин А.А., Самсонова А.А., Рожмина Т.А., Самсонова М.Г. Анализ структурной вариабельности геномов льна Linum usitatissimum L. Биофизика, - (год публикации - 2022).

2. Дук М.А., Канапин А.А., Суркова С.Ю., Банкин М.П., Рожмина Т.А., Самсонова А.А., Самсонова М.Г. The Genetic Landscape of Fiber Flax Frontiers in Plant Science, Front. Plant Sci., 07 December 2021 (год публикации - 2021).

3. Канапин А.А., Банкин М.П., Рожмина Т.А., Самсонова А.А., Самсонова М.Г. Genomic Regions Associated with Fusarium Wilt Resistance in Flax International journal of molecular sciences, Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 12383 (год публикации - 2021).

4. Канапин А.А., Самсонова А.А., Банкин М.П., Логачев А.А., Рожмина Т.А., Самсонова М.Г. Сборка геномов трех слабовирулентных штаммов Fusarium oxysporum f.sp. lini Биофизика, - (год публикации - 2022).

5. Рожмина Т.А., Банкин М.П., Самсонова А.А., Канапин А.А., Самсонова М.Г. A comprehensive dataset of flax (Linum uitatissimum L.) phenotypes Data in brief, Volume 37, August 2021, 107224 (год публикации - 2021).

6. Самсонова А.А., Канапин А.А., Банкин М.П., Логачев А.А., Грецова М.В., Рожмина Т.А., Самонова М.Г. A Genomic Blueprint of Flax Fungal Parasite Fusarium oxysporum f. sp. lini International journal of molecular sciences, Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 2665 (год публикации - 2021).


Возможность практического использования результатов
Результаты проекта имеют важное значение для селекции льна, культуры, имеющей стратегическое значения, могут быть использованы в маркерной и геномной селекциях