КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 22-16-20026
НазваниеИзучение генетического контроля и экспрессии генов, контролирующих скороспелость у мягкой пшеницы Западной Сибири с целью создания сортов нового поколения как основы стабильного производства зерна в условиях глобального и локального изменения климата
РуководительГончаров Николай Петрович, Доктор биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук", Новосибирская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2024 г. |
Конкурс№66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс).
Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-106 - Растениеводство
Ключевые словаселекция, мягкая пшеница, тип развития, скороспелость, чувствительность к фотопериоду, биоразнообразие, Triticum, Aegilops, сородичи пшеницы, интрогрессия
Код ГРНТИ68.35.03
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Селекция помогла значительно повысить урожайность пшеницы в регионе за последнее столетие. В условиях глобального и локального изменения климата расширение биоразнообразия по признаку «длина вегетационного периода (скороспелость / позднеспелость)» очень важно для адаптации пшеницы к условиям окружающей среды и обусловливает получение стабильного урожая высококачественного зерна в неблагоприятных резко континентальных условиях Новосибирской области и Западной Сибири в целом. Сложный процесс генеративного развития (яровость vs. озимость) растений пшеницы и продолжительность (длина) их вегетационного периода (скороспелость) в значительной степени определяются аллельным разнообразием генов Vrn (от англ. response to vernalization), контролирующих тип развития (яровость vs. озимость), а так же скороспелость у яровых форм и генов Ppd (от англ. response to photoperiod), контролирующих чувствительность/нечувствительность к фотопериоду (длине дня). При широтном распределении средняя продолжительность вегетационного периода сортов в различных природно-климатических зонах Новосибирской области и Западной Сибири в целом выглядит следующим образом: (1) позднеспелые сорта - зона возделывания - степь (вегетационный период при обеспечении теплом на 90-100% - 105-120 дней); (2) среднеспелые сорта - зона возделывания - лесостепь (вегетационный период при обеспечении теплом на 90-100% - 90-105 дней; (3) раннеспелые сорта - зона возделывания - тайга и подтайга (вегетационный период при обеспечении теплом на 90-100% - 75-90 дней). Изменяющиеся локально и глобально климатические условия для создания сортов нового поколения, адаптированных для выращивания в выше перечисленных зонах возделывания мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) региона, требуется увеличения их биоразнообразия и расширение у них пула генов, контролирующих формирование оптимальной для зон тайга, подтайга, лесостепь и степь продолжительности (длины) вегетационного периода (скороспелости/ позднеспелости). Одним из возможных путей расширения биоразнообразия основной для Новосибирской области и Западной Сибири продовольственной культуры – мягкой пшеницы – является вовлечение геного пула ее видов-сородичей в межвидовую гибридизацию для переноса (интрогресии) в ее генофонд новых генов Vrn и Ppd и/или их аллелей из этих видов-сородичей и создания на основе их включения в селекционный процесс мозаики сортов по длине вегетационного периода.
Цель проекта - расширение биоразнообразия с использованием современных молекулярно-биологических методов и технологий основной зерновой культуры Новосибирской области и Западной Сибири – мягкой пшеницы по признаку «длина вегетационного периода (скороспелость)» для получения экологически чистой продукции при сохранении или увеличении существующего уровня продуктивности ее сортов. Для достижения цели проекта будут изучены следующие гены: (1) Vrn (Vrn-A1, Vrn-B1, Vrn-D1, Vrn-D4) и Ppd (Ppd-D1, Ppd-B1, Ppd-D1), контролирующие длину вегетационного периода (скороспелость) (Vrn- тип развития (яровость-озимость) и скорость развития и Ppd - чувствительность к фотопериоду). Исследования будут включать следующие этапы: (1) изучение длины вегетационного периода у диплоидных видов-сородичей (T. boeoticum, T. urartu, Ae. squarrosa) и выведенных из возделывания диплоидной пшеницыT. monococcum L., идентификации у них генов Vrn и Ppd и их аллелей и отбор наиболее перспективных для оптимизации признака "скороспелость"; (2) интрогрессия в мягкую пшеницу новых аллельных вариантов генов Vrn и Ppd, выявленных в рамках исследования у видов-сородичей; (3) изучение выраженности признака длина вегетационного периода (скороспелость/позднеспелость) и экспрессии генов их контролирующих у наиболее адаптированных включенных в «Госреестр РФ…» по Западно-Сибирскому региону; (4) определение экспрессии генов Vrn и Ppd с использованием совпеменных молекулярно-биологических методов RNA-Sec и NGS и оценки их вклада в длину вегетационного периода (скороспелость/ позднеспелость); (5) получение перспективного селекционного материала и его передача в конкурсное сортоиспытание; (6) обобщение результатов исследования и подготовка базы для создания в регионе высокопродуктивных сортов нового поколения. Исследования будут проводиться с использованием коллекции сортов мягкой пшеницы, диплоидных видов-сородичей, в том числе диких и выведенного из возделывания диплоидного вида пшениц T. monococcum и его мутанта T. sinskajae и сортов (линий) мягкой пшеницы с еще не описанными интрогрессиями из коллекции сектора генетики пшениц ИЦиГ СО РАН (г. Новосибирск) и ВИР (г. С-Петербург). Всестороннее изучение и использование такой коллекции для расширения биоразнообразия мягкой пшеницы по признаку «длина вегетационного периода (скороспелость)» является перспективным для обогащения генома мягкой пшеницы и выведения сортов нового поколения для возделывания в разных почвенно-климатических зонах Новосибирской области в условиях глобального и локального изменения климата. Использование современных молекулярно-биологических методов, в том числе RNA-Sec и NGS для определения экспрессии тех или иных генов Vrn и Ppd и их вклад в дину вегетационного периода (скороспелость/позднеспелость) позволит существенно сократить время на создание исходного и селекционного материала и внедрения сортов в производство в Новосибирской области.
Ожидаемые результаты
Расширение пула генов используемого при селекции мягкой пшеницы на адаптивность в Новосибирской области и Западной Сибири. В рамках проекта у возделываемых видов пшениц и их диплоидных видов-сородичей из родов Triticun и Aegilops будут определены гены Vrn, контролирующие тип и скорость развития и Ppd, контролирующие реакцию на длину дня и их экспрессия и влияние на признак «длина вегетационного периода». В результате исследования будут выявлены новые аллельные варианты данных генов с целью их интрогресии в геном мягкой пшеницы, изучены особенности их экспрессии в ее геноме этой сельскохозяйственно важной для Новосибрской области и Западной Сибири культуры. Наиболее перспективные аллельные варианты будут использованы при селекции мягкой пшеницы и создания сортов нового поколения с оптимальной для основных зон возделывания мягкой пшеницы в Новосибирской области. В результате будут получены образцы с интрогрессированными новыми для коммерческих сортов мягкой пшеницы генами Vrn и Ppd и /или их аллелями, что позволит расширить полиморфизм возделываемых в регионе сортов по признаку «длина вегетационного периода» и ускорения селекционного процесса за счет использования новейших молекулярно-биологических методов в сочетании с генетическими технологиями. Полученные образцы с интрогрессиями будут использованы в селекционном процессе для создания экологически чистой продукции (зерно пшеницы) при сохранении или увеличении существующего уровня ее продуктивности в Новосибирской области и Западной Сибири, что будет способствовать переходу к высокопродуктивному и экологически чистому агрохозяйству РФ и продовольственной безопасности.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В исследование взяты 20-ть образцов диплоидной пшеницы Triticum monococcum L. - культурной однозернянки и 15-ть колленницы Тауша Aegilops tauschii Coss. – донора генома D полиплоидных пшениц в количестве 10 растений на каждый исследуемый образец в условиях тепличного комплекса ИЦиГ СО РАН и полевых условиях Новосибирской области. Для образцов был определен тип развития (яровой/озимый), при этом яровые образцы были охарактеризованы по длине вегетационного периода. Были установлены структурные изменения генов Vrn-A1 и Vrn-D1 у T. monococcum и Ae. tauschii соответственно. В результате исследования 20 яровых образцов T. monococcum у 15 образцов обнаружена 7222-нуклеотидная делеция в первом интроне, что соответствует ранее выявленному аллелю Vrn-A1c. Среди оставшихся 5 образцов, 3 содержали делецию размером 1 п.н. в GArG-box промоторной области, что соответствует аллелю Vrn-A1f и 2 образца содержали делецию 37 п.н. захватывающую VRN-box и GArG-box промоторной области, что соответствует аллелю Vrn-А1g.
Из 13 яровых образцов Ae. tauschii у 12 обнаружена ранее описанная 5437 п.н. делеция в первом интроне гена Vrn-D1. У ярового образца К-992 обнаружена ранее неописанная делеция в первом интроне, при этом этот образец имеет самый короткий вегетационный период из всех изученных. Для обоих аллельных вариантов было исследовано изменение относительного уровня экспрессии в ходе онтогенеза растений. В результате было установлено, что аллельный вариант Vrn-D1 с известной 5437 п.н. делецией в первом интроне экспоненциально увеличивает уровень экспрессии на 9-ю неделю развития растений, а тот же ген из скороспелого образца К-992 начинает экспрессироваться уже на 3-ю неделю. Таким образом, в настоящей работе был обнаружен новый аллельный вариант гена Vrn-D1 в яровом образце К-992 Ae. tauschii с очень ранним началом экспрессии гена Vrn-D1.
Методом главных компонент с использованием собственных данных и результатов, опубликованных другими исследователями, проведено сравнение 98 селекционных коммерческих сортов яровой мягкой пшеницы Западной и Восточной Сибири по характеру наследования ярового типа развития. Полиморфизм по доминантным генам Vrn, контролирующим яровость у селекционных сортов Сибири, минимален. У 75 % из них он контролируется дигенно доминантными Vrn-A1 и Vrn-B1; у 25 % – моногенно доминантными генами (у 24 сортов, из них у 19 и 5 соответственно только одним доминантным геном – Vrn-A1 или Vrn-B1). У одного сорта, Тулун 15, описан тригенный контроль. Подтвержден вывод об оптимальности для климатических условий как Западной, так и Восточной Сибири контроля яровости двумя доминантными генами Vrn. Ни у одного из сортов не обнаружено характерного для приграничных с Сибирью областей Китая и Центральной Азии доминантного гена Vrn-D1. Выявлена повышенная частота встречаемости аллеля Vrn-B1с у сортов Западной Сибири и аллеля Vrn-B1а у сортов Восточной Сибири, что позволяет говорить об их селективности и планировать направление дальнейшей селекции, в том числе и в рамках данного проекта.
Публикации
1. Смоленская С.Э., Ефимов В.М., Кручинина Ю.В., Немцев Б.Ф., Чепурнов Г.Ю., Овчинникова Е.С., Белан И.А., Зуев Е.В., Чжоу Чэньси, Пискарев В.В., Гончаров Н.П. Скороспелость и морфотип сортов мягкой пшеницы Западной и Восточной Сибири Вавиловский журнал генетики и селекции, том 26, № 7, с. 662-674, (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18699/VJGB-22-81
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
У Aegilops tauschii Coss. – донора элементарного генома D полиплоидных пшениц к настоящему времени описаны только два нарушения в 1-м интроне гена Vrn-D1 – делеции размером 5437 и 3273 п.н.., обусловливающих у растений этого вида яровой тип развития и скороспелость. Присутствие генома Ae. tauschii у амфиплоидов устанавливали с помощью ПЦР амплификации с праймерами специфичными к последовательности промотора гена Vrn-D1 из Ae. tauschii. Результаты ПЦР амплификации дали положительные результаты для всех четырех исследованных образцов амфиплоидов. Полученные ДНК фрагменты были выделены и для каждого была установлена нуклеотидная последовательность. Для выявления присутствия их у исследуемых в данном поекте амфиплоидов была проведена ПЦР-амплификация с праймерами специфичными для интрона этого гена Ae. tauschii. В случае наличия таких делеций мы должны были бы получить ПЦР фрагменты размером 450 (1-я делеция) или 750 (вторая делеция) п.н. В результате проведенного исследования фрагменты размером 450 или 750 п.н. не были обнаружены. Анализ нуклеотидных последовательностей показал, что в области промотора гена Vrn-D1 у амфиплоидов нарушений не обнаружено. Следует отметить, что у двух амфиплоидов (7547 – Jumilla+Aegilops tauschii и 7373 - Tc+ Ae. tauschii RL5288) нуклеотидная последовательность области промотора идентична таковой у A. tauschii, а у двух других (7601 - Ae. biuncialis Vis. – Triticum dicoccoides (Körn. ex Asch. & Graebn.) Schweinf. и 7413 - Tc+ Ae. tauschii RL5261) – промотору гена Vrn-D1 мягкой пшеницы Triticum aestivum L.
Количественное сравнение профилей экспрессии показало различия в уровнях экспрессии гена Vrn-D1 в листьях разных образцов в разные сроки вегетации. У К-1740 уровень экспрессии гена vrn-D1 находился на низком уровне все 12 недель развития. Яровой образец KU-2009 показал достоверные различия в уровне экспрессии гена Vrn-D1 относительно озимого образца на 10, 11 и 12 неделю развития. Чтобы установить различия в профиле экспрессии между двумя доминантными аллелями Vrn-D1, мы сравнили значения относительного уровня экспрессии этого гена у двух яровых образцов, за пять недель до колошения растений. Так как яровые образцы отличались по срокам колошения, начальной точкой анализа для К-992 стала вторая неделя развития, а для KU-2009 – седьмая неделя. В результате сравнения, было выявлено, что у ярового образца К-992 формировалось достоверное большее число транскриптов гена Vrn-D1 относительно KU-2009 за 4 недели до колошения (3-я неделя развития для периода всходы-колошения у К-992), а все последующие недели достоверных отличий не наблюдалось. Это позволяет связать скророспелось со временем экспресии и вести отбор на признак «скороспелость» молекулярно-биологическими методами.
Совместное влияние генов Ppd-1 и Vrn-1 на скороспелость у мягкой пшеницы. Полученные данные позволит сделать выводы, что у изученных уникальных наборов яровых изогенных линий со озимым сортам мягкой пшеницы Мироновка 808 (M808), Скороспелка 3б (Sk3b), Прибой, Triple Dirk и Johnes Fife (JF) скороспелость в основном контролируется доминантными аллелями генов Vrn-1. Линии во влиянию данных генов на длину вегетационного преиода (скороспелость) ранжируются в следующем порядке: Vrn-A1 > Vrn-D1 > Vrn-B1, что согласуется с данными предыдущих исследователей. Впервые выявлено какими доминантными генами контролируется пониженная чувствительность к длине дня у изогенной линии трех сортов Sk3b, JF и M808, различающихся по этому признаку. Показано, что доминантные гены Ppd-1 оказывают влияние на длину вегетационного периода, а наличие доминантного аллеля Ppd-D1a коррелирует с высотой растений. Выявлена корреляционная связь и с рядом других хозяйственно важных признаков, в том числе с количеством колосков на колос.
В питомнике в двукратной повторности на делянках площадью 10 кв. м изучено 16 гибридных образцов, полученных в результате выполнения проекта, по сравнению со стандартми - сортами Новосибирская 29, Новосибирская 31 и Новосибирская 49 (все три селекции СибНИИРС, Новосибирская обл.). Выделились линии 1497-Э-09 и линия из гибриного потомства сорта Новосибирская 61 на амфиплоид ПЭАГ. Превышения этих линий по урожайности над стандартами было на 0,46-0,64 т/га. По длине вегетационному периоду линии были на уровне стандарта или скороспелее. Планируется передача данных линий в конкурсное сортоиспытание.
Публикации
1. Чепурнов Г.Ю., Овчинникова Е.С., Блинов А.Г., Чикида Н.Н., Белоусова М.Х., Гончаров Н.П. Analysis of the Structural Organization and Expression of the Vrn-D1 Gene Controlling Growth Habit (Spring vs. Winter) in Aegilops tauschii Coss. Plants, vol. 12, p. 3596 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/plants12203596
2. Смоленская С.Э. , Гончаров Н.П. Аллельное разнообразие генов Vrn и контроль типа и скорости развития у пшениц Вавиловский журнал генетики и селекции, т.27, №8 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18699/VJGB-23-108