Полногеномный поиск ассоциаций и изучение механизмов устойчивости льна к фузариозному увяданию

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 проекта 19-16-00030

НазваниеПолногеномный поиск ассоциаций и изучение механизмов устойчивости льна к фузариозному увяданию

Руководитель Самсонова Мария Георгиевна, Доктор биологических наук

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

Конкурс №35 - Конкурс 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 слова лен, полногеномный поиск ассоциаций, фузариозное увядание, сборка геномов, транскриптомика, генетическое разнообразие, взаимодействие патогена с растением‒хозяином, генные сети, селекция

Код ГРНТИ68.03.03

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.1094/MPMI-05-20-0130-SC

2. 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)
10.1016/j.dib.2021.107224

3. 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)
10.3390/ijms22052665

4. 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)
10.3390/ijms222212383

5. 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)
10.3389/fpls.2021.764612

6. 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)

7. 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)

Публикации