Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект направлен на изучение генетических основ формирования признаков у сельскохозяйственных растений и использование полученных знаний для направленного создание адаптивных и высокобелковых сортов сельскохозяйственных растений с привлечением методов маркер-ориентированной и геномной селекции. Основное внимание проекта сосредоточено на изучении культурной сои, озимой и яровой мягкой пшеницы. За отчетный период были получены следующие оригинальные результаты: 1. Генетический контроль сроков колошения и созревания у озимой мягкой пшеницы Коллекция из 170 сортов озимой мягкой пшеницы была изучена по аллельному разнообразию генов, связанных с чувствительностью к яровизации (гены Vrn-D1, Vrn-B1, Vrn-B3) и к фотопериоду (Ppd-D1), а также генов NAM-B1 и NAM-A1, которые могут влиять на скорость созревания. Все сорта, кроме сорта Норкан несли рецессивный аллель Vrn-B1 и нефункциональный аллель NAM-B1. Для остальных генов был показан полиморфизм, то есть гены были представлены несколькими аллелями. Аллель Ppd-D1a был выявлен у 41 % озимых сортов. Сравнительный анализ распределения аллелей генов PPD, VRN, NAM у озимых сортов мягкой пшеницы и данных по фенотипу (скорость перехода к кущению, выход в трубку и колошение) показал, что аллели Ppd-D1a, NAM-A1d, Vrn-D1a значимо ускоряли переход растений к колошению. 2. Идентификация локусов и отдельных генов, влияющих на содержание белка в зерне у яровых и озимых пшениц. Проведен полногеномный поиск ассоциаций (GWAS) для выявления локусов, ассоциированных с содержанием белка в зерне у сортов яровой пшеницы российской селекции. По результатам GWAS было выявлено четыре локуса на хромосоме 6А: 1) QGPC.icg-6A.1; 2) QGPC.icg-6A.2; 3) QGPC.icg-6A.3; 4) QGPC.icg-6A.4. Анализ 39 генов-кандидатов из состава локуса QGPC.icg-6A.3, маркеры которого демонстрировали связь с наиболее сильным изменением фенотипа, показал, что наибольший интерес представляет ген TraesCS6A02G132700 (кодирует CBS содержащий белок), который экспрессируется преимущественно в развивающемся зерне. Идентифицированы наиболее значимые маркеры (wsnp_Ra_c3996_7334169 и Tdurum_contig63703_1143), в районе локализации этого гена. Изучено распределение аллелей генов NAM-B1 и NAM-A1, которые могут оказывать влияние не только на сроки созревания, но и на содержание белка. Распределение аллелей гена NAM-A1 изучалось в популяции сортов озимой и яровой мягкой пшеницы. Самым представленным аллелем являлся NAM-A1c (71 % озимых сортов и 61% яровых сортов), NAM-A1d встречался у 16 % озимых сортов и у 34% яровых, а самым редким был NAM-A1а (7 % озимых и 5% яровых сортов), аллель NAM-A1b в исследуемых панелях обнаружен не был. Наиболее высокое содержание белка у яровых сортов мягкой пшеницы было показано для сортов с аллелем NAM-A1a. Сорта с аллелем NAM-A1d демонстрировали самое низкое содержание белка в зерне, тогда как образцы с гаплотипом NAM-A1c имели промежуточные показатели. У озимых сортов аллель гена NAM-A1d, ускоряющая сроки колошения, также как у яровых приводила к снижению содержания белка в зерне. Результаты для озимых пшениц получены на основании оценки признаков в условиях одного полевого сезона и будут повторены на следующем этапе выполнения проекта. Сравнение изученных сортов мягкой пшеницы, содержащих различные аллели гена NAM-A1, по массе зерна с колоса и массе тысячи зерен не выявило достоверных отличий, что позволяет сделать предположение об отсутствии негативного влияния NAM-A1 гена на компоненты урожайности. На основании полученных данных было сделано заключение о необходимости при проведении маркер-ориентированной селекции у яровых и озимых пшениц, тщательно подходить к отбору генотипов по аллелям генов NAM, PPD, VRN, поскольку одни и те же аллели могут разнонаправленно влиять на сроки колошения и содержание белка в зерне. 3. Изучение аллельного разнообразия генов, влияющих на признаки остистость/безостость мягкой пшеницы. С использованием базы данных «10 Геномов» (IPK, Гатерслебен) у остистых и безостых сортов пшеницы T. aestivum L. проведен сравнительный анализ ранее изученных нуклеотидных последовательностей гена B1, контролирующего остистость. Проведено секвенирование этого гена у отечественного безостого сорта Саратовская 29. Наряду с отсутствием структурных отличий в кодирующем районе гена, выявлено пять SNP в промоторном районе гена, по которому остистые сорта отличаются от безостых. С помощью двух комбинации специфических праймеров, разработанных для рецессивного и доминантного аллелей В1 (b1/B1), проведено генотипирование 176 отечественных и зарубежных сортов T. aestivum, семи образцов T. spelta L., а также растений из популяций F2 и F3, полученных от скрещивания остистого и безостого сортов T. aestivum. Показано, что эффективность выявления доминантного и рецессивного аллелей гена В1 с использованием разработанных маркеров составляет 100% и 99% соответственно. В составе 11 отечественных сортов T. aestivum впервые идентифицирован новый рецессивный аллель b1mite, ассоциированный с остистым фенотипом. Проанализирована полная первичная структура данного аллеля, включая промоторный и кодирующий районы. В составе b1mite, наряду с рядом SNP, выявлена вставка миниатюрного транспозона (MITE) в промоторном районе и один SNP в кодирующем районе. 4. Генетический контроль сроков цветения и созревания у культурной сои. Разработана панель маркеров для выявления различных аллельных состояний генов E1–Е4, E9, GmFT2a и GmFT5a, контролирующих процессы цветения и созревания у сои. Панель маркеров была использована для анализа 176 сортобразцов сои. В результате генотипирования определен аллельный состав генов E1–Е4, E9, GmFT2a и GmFT5a у изученных образцов. Показано, что все образцы имеют доминантный аллель гена Е9, который уменьшает время созревания сои. Доминантный аллель GmFT5a-Н4, сокращающий время созревания, обнаружен у сортов Припять, Актай и Кассиди, поэтому данные сорта могут быть донорами этого редкого аллеля. Распределение аллелей генов Е1-Е4 среди различных групп спелости показало, что уменьшение вегетационного периода и соответствие образца более ранний группе спелости идет за счет накопления рецессивных аллелей генов e1-e4. Среди группы ультраскороспелых сортов 41 из 54 образцов имеет генотип e1-nl/e2/e3/e4, a остальные 10 генотип e1-as/e2/e3/e4. Среди 133 сортов из скороспелой группы 48 имеют генотип e1-nl/e2/e3/e4, 27 - генотип e1-as/e2/e3/e4, 10 - генотип e1-as/e2/e3/E4 и 12 - генотип e1-nl/e2/e3/E4. Показано, что сорта с генотипом e1-nl/e2/e3/e4 имеют более короткий срок вегетации в сравнении с e1-as/e2/e3/e4, e1-as/e2/e3/е4, e1-nl/e2/e3/E4. Таким образом, генотип образца, у которого гены Е1-Е4 присутствуют в рецессивном состоянии может быть предложен как молекулярная модель или ориентир в селекции для создания ультраскороспелых и скороспелых сортов сои. 5. Проведение работ по геномной селекции, направленной на создание адаптивных и высокобелковых сортов. Согласно схеме работ по геномной селекции созданы «тренировочные» популяции для коллекции сортов озимой пшеницы (170 образцов) и коллекции сортов/линий культурной сои (188 образцов). Проведено фенотипирование озимой пшеницы, выращенной в Орловской области, и культурной сои, выращенной в Орловской и Новосибирской области, по показателям структуры урожая, вегетационному периоду и содержанию белка. Проведены гибридизации и получены гибридные семена для «тестируемых» популяций мягкой пшеницы и культурной сои.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект направлен на изучение генетических основ формирования признаков у сельскохозяйственных растений и использование полученных знаний для направленного создания адаптивных и высокобелковых сортов сельскохозяйственных растений с привлечением методов маркер-ориентированной и геномной селекции. Основное внимание проекта сосредоточено на оценке ряда хозяйственно-ценных признаков у культурной сои, озимой и яровой мягкой пшеницы на протяжение 2-х и более лет, и использование полученных данных для идентификации генов, участвующих в контроле изучаемых признаков, с помощью различных молекулярно-генетических подходов, включая методы полногеномного анализа ассоциаций (ПГАА). Культурная cоя, Glycine max L. — растение короткого дня с очень сильной реакцией на фотопериод. В северных широтах при длинном дне она задерживает цветение и последующие фазы развития, из-за чего не успевает созреть до наступления первых заморозков. Гены E1-E4 определяют чувствительность сои к фотопериоду, и различные аллели этих генов обуславливают широкую адаптацию к различным эколого-географическим зонам. В 2021 году к генам E1-E4 была подобрана панель из 14 маркеров, из которых 3 маркера были разработаны в ходе выполнения проекта. С помощью панели маркеров определен аллельный состав генов Е1 (e1-as, e1-nl, e1-fs), Е2 (e2-ns), E3 (e3-ns, e3-fs, e3-tr), E4 (e4-kes, e4-SORE-1) в коллекции из 179 сортообразцов культурной сои. Изучена продолжительность периодов жизненного цикла сортообразцов сои в Западной Сибири и Центральной России для всех 179 сортообразцов в 2021 и 2022 гг.. В условиях Центральной России все сортообразцы достигали полной спелости каждый год наблюдений, тогда как в условиях Западной Сибири вызревало только 159 сортообразцов. Установлено, что генотип e1-nl/e2/e3/e4 является оптимальным для условий Западной Сибири и наиболее скороспелым в Центральной России. Для Центральной России можно успешно возделывать генотипы e1-nl/e2/e3/e4, e1-as/e2/e3/e4, e1-as/e2/e3/E4 с более длинным вегетационным периодом. Полученные результаты включены в план работы по проведению маркер-ориентированной селекции, направленной на создание высокоадаптивных сортов сои. Проведен анализ хозяйственно важных признаков (фенологический, структурный анализ, растрескиваемость бобов и содержания белка в зерне) у сортообразцов сои, выращенных в 2021 году в Орловской и Новосибирской области. Проведено генотипирование 185 образцов культурной сои с использованием Illumina SoySNP50K на сканере биочипов iScan Illumina в лаборатории геномных исследований (ИЦиГ СО РАН). После проведения процедуры контроля качества, с использованием программ Genome Studio v2 (Illumina Inc., San Diego, CA, USA) и Plink (версия 1.90b6.26) для дальнейшей работы по полногеномному анализу и установлению ассоциации маркер-признак использовали 29 771 SNP. Результаты по определению содержания белка в образцах сои, выращенных в Орловской и Новосибирской областях в 2021 году, были использованы для идентификации новых локусов с помощью полногеномного анализа ассоциаций (ПГАА). Результаты ПГАА были объединены с помощью мета-анализа в программе METAL (версия 2011-03-25, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/ PMC2922887). Выявлено три SNP маркёра, достоверно ассоциированные с данным признаком: два маркера SNP локализованы на хромосоме 13, один — на хромосоме 12. Мощность выборки маркеров и число значимо ассоциированных локусов будет увеличено после интеграции данных по содержанию белка в семенах сои, выращенной в 2022 году, после проведение мета-анализа с использованием данных из базы SoyBase. По полученным ранее данным генотипирования и фенотипирования по комплексу признаков, включая содержание белка и клейковины, из коллекции яровых сортов мягкой пшеницы выделены образцы, перспективные в качестве родительских форм для селекции на содержание белка и урожайность. В качестве донора аллелей генов, контролирующих высокое содержания белка для яровых форм был выбран сорт Новосибирская 31 (Н31). Для этого сорта подобраны и протестированы KASP маркеры, ассоциированные с высоким содержанием белка (wsnp_CAP7_c1839_908011, tplb0032i10_420 и Excalibur_c55782_55 - по данным 2021 года). Проведены скрещивания высокоурожайных яровых сортов с сортом Н31, из них 2 гибридные комбинации включены в процесс маркер-ориентированной селекции (МОС). Проведен второй год оценки коллекции сортов озимой мягкой пшеницы по отдельным показателям структуры урожая, по высоте растений, по содержанию белка и клейковины, по времени колошения и времени созревания в условиях Орловской области. Проведено генотипирование 179 сортов озимой мягкой пшеницы с использованием Illumina 25K SNP-чип (TraitGenetics GmbH, Германия), который содержит 24145 маркеров, из них 20008 полиморфных SNP маркеров было отобрано для оценки структуры изучаемой популяций озимой пшеницы и последующего проведения полногеномного анализа ассоциаций с хозяйственно-ценными признаками. Измерение содержания белка и клейковины в зерне проводили два года с использованием инфракрасного анализатора зерна OmegAnaLyzer G. Содержание белка в зерне у изучаемой коллекции озимых сортов, выращенных в Орловской области, варьировало в 2021 году от 10.46 до 17.8%, в 2022 году – от 10.8 до 16.2%. Содержание клейковины в зерне в 2021 году варьировало от 17.8 до 39.9%, в 2022 году – от 17.0 до 34.1%. Методом ПГАА было выявлено 27 маркеров, значимо (p < 0,001) влияющих на содержание белка и 24 - значимо (p < 0,001) влияющих на содержание клейковины. Маркеры располагались на хромосомах 2A, 2D, 3A, 3B, 4A, 4B, 5A, 5B, 6D, 7B. Наиболее значимые локусы для обоих признаков располагаются на 4А и 2D хромосомах. Из состава этих локусов были выделены два гена, TraesCS4A02G235900 и TraesCS2D02G517200, которые можно рассматривать в качестве кандидатов для регуляции содержания белка и клейковины в зерне озимой пшеницы. Коллекция сортов озимой мягкой пшеницы также изучается по признаку предуборочное прорастание зерна (прорастание зерна на корню). Для оценки данного признака используются разные морфологические, физиолого-биохимические и молекулярно-генетические подходы. В 2022 году проводилась оценка сортов по индексу прорастания зерна (ИП) и активности α-амилазы (метод Цералпха) на двух стадиях созревания зерна. Показано, что из используемых подходов, наиболее объективным критерием оценки прорастания зерна на корню является ИП на стадии молочной/восковой спелости. Тенденция к высокому прорастанию зерна на корню отмечена у белозерных пшениц и у 30 из 156 краснозерных сортов пшеницы. Краснозерные сорта озимой пшеницы, устойчивые к прорастанию на корню, были включены в скрещивание. Далее 2-3 гибридные комбинации будут отобраны для проведения маркер-ориентированной селекции (МОС) на устойчивость к прорастанию на корню и для оценки эффективности маркеров, разрабатываемых в ходе проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект направлен на изучение генетических основ формирования признаков у зерновых и зернобобовых растений и использование полученных знаний для направленного создания адаптивных и высокобелковых сортов сельскохозяйственных растений с привлечением методов маркер-ориентированной и геномной селекции. Основное внимание проекта сосредоточено на оценке ряда хозяйственно-ценных признаков у культурной сои, озимой и яровой мягкой пшеницы на протяжение 2-х и более лет, и использование полученных данных для идентификации генов, участвующих в контроле изучаемых признаков, с помощью различных молекулярно-генетических подходов, включая методы полногеномного исследования ассоциаций (ПГИА). Культурная cоя, Glycine max L. — растение короткого дня с очень сильной реакцией на фотопериод. В северных широтах при длинном дне она задерживает цветение и последующие фазы развития, из-за чего не успевает созреть до наступления первых заморозков. Для выявления и маркирования генетических локусов, контролирующих продолжительность основных фаз развития сои проведен сравнительный анализ данных генотипирования и фенотипирования в Орловской и Новосибирской областях 180 образцов сои, включающих, преимущественно, российские сортообразцы. Результаты фенотипирования за два года по продолжительности основных фаз развития сои приведены в отчете за 2021 и 2022 год, и в отчетной публикации (Perfil’ev et al., 2023). Результаты генотипирования и их обработка приведена в отчетной публикации (Potapova et al., 2023). В результате проведения ПГИА сортообразцов сои было найдено 12 локусов, которые ассоциированы с продолжительностью фаз развития «всходы-цветение»; 13 локусов - для признака «всходы-созревание»; 4 локуса – для признака «цветение-созревание». ОНП маркеры из выявленных 29 локусов, могут быть рекомендованы для создания сортообразцов сои различных групп спелости. Поиск генов кандидатов, выявил два наиболее интересных гена: Glyma.08g255200/COL1b (CONSTANS Like 1b), который является центральным компонентом в инициации цветения у арабидопсиса, и Glyma.13g177400/SPL3 (SQUAMOSA Promoter Binding Protein-Like 3), который регулирует цветение в зависимости от внешней температуры. Данные гены перспективны для изучения генетических основ реакции сои на фотопериод и на низкие температуры. Высота прикрепления нижнего боба у сои является важным признаком. Высокое прикрепление боба (более 10-12 см.) позволяет избежать потери урожая при использовании зерноуборочного комбайна. В результате проведения ПГИА сортообразцов было найдено 2 новых локуса, значимо ассоциированных с высотой прикрепления нижнего боба у сортообразцов сои, произрастающих в Орловской области. Количество боковых побегов и количество семян в бобе относятся к тем признакам, которые влияют на урожайность сои. Методом ПГИА был выявлен один локус на 18 хромосоме значимо ассоциированный с количеством боковых побегов. В этом локусе был приоритезирован ген Glyma18g20949, кодирующий белок, гомологичный HVA22, связанный с синтезом абсцизовой кислоты и ответом на стресс. Особое внимание было уделено поиску маркеров, позволяющих отбирать образцы с высоким содержанием белка в зерне сои. Использовалось два подхода, один из которых основывался на ПГИА по данным двухлетней оценки содержания белка в коллекции сои, выращенной в Новосибирской и Орловской областях. Второй, на оценке коллекции с использованием маркеров, описанных в литературных источниках. В результате проведения ПГИА для поиска локусов, ассоциированных с содержанием белка, был обнаружен 1 локус на 18 хромосоме. Для данного локуса не удалось определить ген-кандидат в районе +-200 кб от найденного ОНП. Апробация маркеров для генов (Glyma.20G85100/POWR1, Glyma.20G088000 GmST05), которые, как описано ранее, ассоциированы с содержанием белка, показала, что в изучаемой коллекции из 180 образцов сои практически отсутствуют аллели этих генов, определяющих высокое содержание белка. Аллель GmST05 повышенного содержания белка (Hap2) был обнаружен только у трех российских сортов сои: Грибская 12, Светлая, Белгородская 48. Таким образом, для проведения селекции на высокое содержание белка следует расширить имеющуюся коллекцию сои для выявления образцов, несущих высокобелковые аллели ранее изученных генов, и оценить на расширенной коллекции новый маркер на 18 хромосоме сои, выявленный ПГИА. Время колошения и созревания являются одним из ключевых признаков мягкой пшеницы (Triticum aestivum), определяющих ее широкую адаптацию в различных агроэкологических зонах. Впервые выявлено 7 новых локусов, значимо ассоциированных со временем колошения и показано, что однонуклеотидная замена в кодирующей области гена Vrn-B3 может влиять на этот признак. Также выявлены 7 новых локусов, включающих 23 SNP маркера, значимо ассоциированных со временем созревания. Были предложены гены-кандидаты из состава выявленных локусов. Таким образом, 56 маркеров из выявленных QTLs могут быть использованы для создания сортов пшеницы разных групп спелости. Контроль содержания белка в зерне при проведение маркер-ориентированной селекции имеет важное значение не только для зернобобовых, но и для зерновых культур. По результатам исследований в рамках данного проекта на коллекциях яровых и озимых пшениц (Leonova et al., 2022 and 2023), а также с привлечением данных, представленных в литературе, сформирован перечень маркеров, подходящих для выявления локусов, ассоциированных с содержанием белка и клейковины в зерне, и аллельного состава высокомолекулярных глютенинов. Перечень включает 13 маркеров для выявления субъединичного состава глютенинов, 5 маркеров для локусов текстуры эндосперма, 14 маркеров для локусов, ассоциированных с повышенным содержанием белка и/или клейковины. Устойчивость к прорастанию зерна на корню является хозяйственно важным признаком, который влияет на качество зерна и урожайность пшеницы. Полногеномное исследование ассоциаций на коллекции из 159 краснозерных образцов озимой пшеницы выявило для признака предуборочного прорастания зерна на корню 6 высоко значимых маркеров в хромосомах 1B, 1D, 4A, 6B, 7B и 7D. Среди них 5 маркеров были ассоциированы с индексом прорастания зерна на стадии молочно-восковой спелости зерна. Один маркер, ассоциированный с числом падений, был локализован в хромосоме 6B. Маркеры в хромосомах 1B и 7D определяют около 25% фенотипической изменчивости признака, каждый. Сравнение полученных данных с известными генами, связанными с прорастанием на корню, показало, что один маркер из 6 выявленных, а именно Ta04_A1, локализуется в 4А хромосоме вблизи с геном TaMKK3, предположительно участвующим в данном процессе. Остальные пять маркеров являются новыми и, возможно, более перспективными для сопровождения селекционного процесса, направленного на создание устойчивых к прорастанию на корню сортов мягкой пшеницы. В целом, полученные данные по генотипам и фенотипам коллекций сортообразцов сои, яровой и озимой пшеницы, выращенных в различных регионах, является хорошей стартовой точкой для формирования моделей геномной селекции и создания популяций сои и мягкой пшеницы для их апробации.