Фенотипирование и генотипирование стародавних сортов яровой мягкой пшеницы и основного набора из питомников международной программы КАСИБ, идентификация локусов, ассоциированных с признаками продуктивности растений, устойчивости к засухе, болезням и качества зерна для маркер-ориентированной селекции в Западной Сибири

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 22-16-20008

НазваниеФенотипирование и генотипирование стародавних сортов яровой мягкой пшеницы и основного набора из питомников международной программы КАСИБ, идентификация локусов, ассоциированных с признаками продуктивности растений, устойчивости к засухе, болезням и качества зерна для маркер-ориентированной селекции в Западной Сибири

Руководитель Шаманин Владимир Петрович, Доктор сельскохозяйственных наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина" , Омская обл

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; 06-104 - Агробиотехнологии

Ключевые слова Пшеница, сорт, источник, ландрасы, фенотипирование, ген, высокопроизводительное генотипирование, ассоциированное картирование, гибриды, устойчивость, засуха, болезни, качество зерна, селекция

Код ГРНТИ68.35.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Площадь посева пшеницы в России составляет более 28 млн га, из них около 40-45 % занимает яровая. Однако рост производства зерна в яровосеющих регионах страны сдерживается негативными факторами, связанными с изменчивостью климата, возрастанием инфекционной нагрузки, отсутствием высокоурожайных сортов с комплексной устойчивостью к засухе и болезням. Инфекция, заносимая из сопредельных областей Республики Казахстан оказывает негативное влияние на урожайность яровой пшеницы в Западной Сибири. Расширение генетической основы устойчивости коммерческих сортов яровой пшеницы представляет одну из важнейших задач селекции для повышения стабильности урожая, технологических и пищевых свойств зерна в евразийском регионе России. Стародавние сорта пшеницы (ландрасы) представляют собой ценный генетический ресурс, для повышения устойчивости к негативным абиотическим и биотическим факторам окружающей среды, практически не используемый в селекции, которая в основном ориентирована на высокую урожайность с применением химических средств защиты урожая. Изучение обширной коллекции ландрас пшеницы сотрудниками ВИР и, так называемой, коллекции Watkins из 32 стран мира свидетельствует о селекционной ценности ландрас в качестве исходного материала. В последние годы в Австралии, Великобритании, Франции и других странах (http://www.csiro.au, http://www. innovationfarm.co.uk) заметно активизировалась научно-исследовательская деятельность, связанная с предселекционным изучением пшеницы. Ландрасы пшеницы могут служить источниками новых генов хозяйственно-ценных признаков, для идентификации которых эффективен метод GWAS. Казахстанско-Сибирская сеть по улучшения яровой пшеницы (КАСИБ) была основана под эгидой СИММИТ в 2000 году и включает в себя 20 научных и селекционных учреждений Казахстана и России. За 20 лет существования сети КАСБ проведено 11 двухлетних совместных сортоиспытаний и изучено более 400 сортов яровой мягкой пшеницы. Однако работать с полным набором не представляется возможным. Идея «основного набора» (core set) получила широкое распространение в работе с генетическими ресурсами. Суть данного подхода в отборе ограниченного набора образцов, который максимально отражал бы генетическое разнообразие всего большого набора. Данные генотипирования СIMMYT, результаты сортоиспытания КАСИБ в каждом цикле (урожайность, устойчивость к болезням и другие признаки) послужили основой для создания основного набора КАСИБ (ОН-КАСИБ), который является отражением современного состояния селекции яровой мягкой пшеницы в России и Казахстане. В 2019 года ОН-КАСИБ был высеян потомством колосьев (для чистоты генетических исследований) в Омском ГАУ и получены семена для дальнейших исследований. Использование в проекте современных цифровых методов фенотипирования растений, высокоскоростное генотипирование и ассоциированное маркирование хозяйственно-ценных признаков, внесет существенный вклад в разработку технологии маркер-ориентированной селекции и ускорения процессов создания сортов. Применение технологии KASPтм, которая широко апробирована в современных селекционных программах, также является доступным и надежным инструментом по идентификации маркеров, ассоциированных с генами селекционно-ценных признаков. Научная новизна исследований состоит в выявлении ценных, в том числе утерянных в процессе селекции генов засухоустойчивости, устойчивости к болезням и качества зерна и их источников среди стародавних (ландрас) и современных сортов российской и казахстанской селекции (ОН-КАСИБ) методами высокопроизводительного генотипирования с последующим ассоциированным маркированием и в создании нового гибридного материала с более широкой генетической основой для селекционных программ. Повышение стабильности урожая по годам и качества зерна пшеницы одна из важнейших задач обеспечения продовольственной независимости страны и сохранения приоритета в экспорте российского зерна на мировом рынке.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Morgounov A. , Li , Shepelev S. , Ali M., Flis , Koksel H., Savin T. , Shamanin V. Genetic characterization of spring wheat germplasm for macro-, microelements and trace metals Plants, V. 11, P. 2173 (год публикации - 2022)
10.3390/plants11162173

2. Пoтoцкaя И.В., Шепелев С.С., Ессе С.А., Гладких М.С., Кошкин М.Н., Зуев Е.В., Шaмaнин В.П. Анализ SNP-локусов, ассоциированных с генами качества зерна, у стародавних сортов пшеницы из коллекции ВИР Вестник Омского государственного аграрного университета, № 2 (46). – С. 43–51 (год публикации - 2022)
10.48136/2222-0364_2022_2_43

3. Koksel Н., Pototskaya I.V., Shepelev S.S., Chrsin A.S., Kuzmin O.G., Pozherukova V.E., E.V. Zuev, Gladkih M.S., Aydarov A.N., Esse S.A., Koshkin M.N., Shamanin V.P. Genetic diversity of grain quality traits of wheat landraces from the VIR collection 20th ICC Conference «Future Challenges for Cereal Science and Technology», Vienna, Austria (July 5-7, 2022). – P. 124. (год публикации - 2022)

4. Шепелев С.С., Потоцкая И.В., Чурсин А.С., Кошкин М.Н., Ессе С.А., Безукладов И.В., Вернер А.О., Шаманин В.П. Идентификация SNP-локусов у сортов яровой мягкой пшеницы международной программы КАСИБ Генофонд и селекция растений: материалы 6-й междунар. конф. (Новосибирск, 23–25 ноября 2022 г.)., С. 219-223. (год публикации - 2022)
10.18669/GPB-2022-01

5. Шаманин В.П., Потоцкая И.В., Ессе С.А., Гладких М.С., Шепелев С.С., Зуев Е.В., Виниченко Н.А., Коксель Х., Моргунов A.И. Стародавние сорта пшеницы – источники высокого качества и питательных свойств зерна Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции, T. 184, № 4 (год публикации - 2023)

6. Шепелев С.С., Потоцкая И.В., Чурсин А.С., Моргунов А.И., Шаманин В.П. Маркер-ориентированная селекция яровой мягкой пшеницы на повышение урожайности, качества зерна, устойчивости к болезням и засухе в условиях Западной Сибири Зерновое хозяйство России, Т. 15. № 2. С. 18-25. (год публикации - 2023)
10.31367/2079-8725-2023-85-2-18-25

7. Ессе С.А., Пoтoцкaя И.В., Гладких М.С., Шaмaнин В.П. Характеристика стародавних сортов яровой мягкой пшеницы по элементам продуктивности растений и урожайности в условиях Западной Сибири Вестник Омского ГАУ, № 3 (51). С. 50-59. (год публикации - 2023)

8. Шаманин В.П., Чурсин А.С., Шепелев С.С., Кузьмин О.Г., Потоцкая И.В. Стратегия селекции пшеницы в Омской ГАУ в условиях глобальных вызовов и обеспечения импортонезависимости Импортонезависимость и продовольственная безопасность: глобальные вызовы и стратегические тренды развития АПК в условиях трансформации международных экономических отношений: Изд-во Ом-ский ГАУ (14 июня 2023 г.). – Омск., Омск, 2023 – С. 87-91. (год публикации - 2023)

9. Ессе С.А., Потоцкая И.В., Гладких М.С., Шаманин В.П. Сравнительный анализ стародавних и современных сортов яровой мягкой пшеницы Итоги и перспективы развития Сибирского земледелия»: Изд-во Омский ГАУ (2 марта 2023 г.). – Омск, Омск, 2023. С. 57-61. (год публикации - 2023)

10. Пoтoцкaя И.В., Агеева Е.В., Филиппова Е.А., Шрейдер Е.Р., Шaмaнин В.П. Оценка качества зерна современных сортов яровой мягкой пшеницы питом-ника КАСИБ-22 на Урале и Западной Сибири Аграрный научный журнал, № 11. – С. 107-113. (год публикации - 2023)
10.28983/asj.y2023i11pp107-113

11. Шаманин В.П., Потоцкая И.В., Чурсин А.С., Эссе С.А., Кошкин М.Н., Безукладов И.В., Яковлева А.О., Карелова А.С., Шепелев С.С. Селекция на улучшение технологических и пищевых свойств яровой мягкой пшеницы в условиях Западной Сибири Генофонд и селекция растений: материалы 7-й международной конференции, Генофонд и селекция растений: материалы 7-й международной конференции (Новосибирск, 10–12 апреля 2024 г.). – Новосибирск, 2024. – С. 409-413. (год публикации - 2024)
10.18699/GPB2024-104

12. Morgounov A., Babkenov A., Ben C., Chudinov V., Dolinny Y., Dreisigacker S., Fedorenko E., Gentzbittel L., Rasheed A., Savin T., Shepelev S., Zhapayev R., Sha-manin V. Molecular markers help with breeding for agronomic traits of spring wheat in Kazakhstan and Siberia Genes, V. 15 (1), P. 86. (год публикации - 2024)
10.3390/genes15010086

13. Шаманин В.П., Потоцкая И.В., Чурсин А.С., Шепелев С.С., Нардин Д.С., Пожерукова В.Е., Kоksel H., Моргунов А.И. Селекция яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) для производства экологически чистого зерна с функциональными свойствами в условиях Западной Сибири Сельскохозяйственная биология, Т. 59. № 3. С. 492–506. (год публикации - 2024)
10.15389/agrobiology.2024.3.492rus

14. Ессе С.А., Потоцкая И.В., Шепелев С.С., Шаманин В.П. Оценка стародавних сортов яровой мягкой пшеницы Алтайского края по хозяйственно-ценным признакам Вестник Омского ГАУ, № 2 (54) С. 14–22. (год публикации - 2024)

15. Шаманин В.П., Шепелев С.С., Чурсин А.С., Потоцкая И.В., Кузьмин О.Г., Гордеева Е.И., Пожерукова В.Е., Ессе С.А., Вернер О.Г., Яковлева А.О., Моргунов А.И. Генотипированная коллекция яровой мягкой пшеницы и маркер-ориентированная селекция в условиях Западной Сибири Тезисы докладов VIII съезда ВОГиС, Тезисы докладов VIII съезда ВОГиС (14–19 июня 2024 г.). – Саратов, 2024. – С. 221. (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Основные научные результаты за 2024 год по проекту: «Фенотипирование и генотипирование стародавних сортов яровой мягкой пшеницы и основного набора из питомников международной программы КАСИБ, идентификация локусов, ассоциированных с признаками продуктивности растений, устойчивости к засухе, болезням и качества зерна для маркер-ориентированной селекции в Западной Сибири». Материалом для исследования служили 100 образцов стародавней пшеницы (ландрасы) коллекции ВИР разного географического происхождения, включая 6 образцов полбы (T. dicoccum) и 150 современных сортов питомника ОН-КАСИБ. В полевых условиях проведены фенологические наблюдения и установлено, что в целом ландрасы имеют более короткий вегетационный период. Наиболее скороспелые из них (всходы-созревание 78–79 сут.) рекомендованы для селекционных программ в качестве источников сокращения вегетационного периода: Сибирка Ярцевская (к-38587), Башкирка (к-35977), Уйманская (к-31917), Белотурка (к-25769), Теремок (к-34304), Китайская (к-34504). Высота растений стародавней пшеницы в среднем варьировала от 71,9±29,3 см до 82,9±10,9 см у сортов ОН-КАСИБ среднем 84,3±6,88 см. В условиях влажного 2024 г. устойчивость к полеганию ландрас составила не более 2–3 баллов, современные сорта отличались более высокой устойчивостью к полеганию (3–5 баллов). Отмечен селекционный прогресс у современных сортов по размеру флагового листа: средняя длина – 21,6 см (у ландрас макс. 20,5), ширина – 0,90 (ландрасы макс. 0,78 см), площадь – 20,7 см2 (у ландрас макс. 17,3 см2). По морфометрическим параметрам корневой системы выделены источники с параметрами в среднем: длина главного корня (11,4 ± 1,51 см), суммарная длина корней (106 ± 14,0 см), числу окончаний (396 ± 52,4 шт.) и числу перекрестков корней (43,3 ± 5,74 шт.): из России – Хивинка (к-1986), Тулунка (к-30933), Белотурка (к-26464), Белоколоска (к-8884), Голоколоска (к-9207), к-22687 и Казахстана – Хозяйственный образец № 901 (к-25051), Кубанка (к-25568), к-35623. Выделены сорта и линии ОН-КАСИБ с комплексной устойчивостью к патогенам: Лютесценс KS 963, Лютесценс 186/04-61, и образцы стародавних сортов – Сафидак, Красная, к-23320, к-35429, с комплексной высокой устойчивостью к бурой и стеблевой ржавчине (ИУ 0,10–0,35). В 2024 г. проведены скрещивания по 224 комбинациям, получено 8370 гибридных зерен, при средней завязываемости 46%, в том числе ценные источники среди ландрас скрестили с лучшими современными сортами яровой пшеницы программы КАСИБ. Из ранее полученных с ландрасами в гибридных популяциях F2 отобрано 260 элитных колосьев для оценки по потомству в селекционных питомниках. По результатам лабораторного анализа компонентов продуктивности растений среди изучаемых групп у ландрас из различных регионов изученные признаки в основном были меньше значений сортов ОН-КАСИБ, например, масса зерна колоса ландрас не превышала 0,72 ± 0,09 г, масса 1000 зерен 24,6± 3,26 г., у современных сортов масса зерна колоса в среднем 1,05± 0,09 г, масса 1000 зерен 30,6±2,5 г. У современных сортов пшеницы в результате селекционного отбора произошло достоверное увеличение линейных размеров зерновки: средняя длина зерновки равна 7,0±0,57 мм, ширина – 3,14±0,26 мм, площадь – 20,7±1,69 мм2. Выделены источники для повышения основных компонентов продуктивности растений и урожайности. По качеству зерна ландрасы отличаются повышенным содержанием белка и клейковины и стекловидной структурой эндосперма. В качестве источников качества выделены: Перерод (к-1934), Белотурка (к-26464), Раса XXXIII №94 Bar-50 (к-22683), Башкирка (к-35977), Сандык (к-39267), Хаздони (к-24763), к-35429, красная (к-29619). Наиболее значимые ассоциации в генотипах ландрас выявлены у пяти локусов, локализованных в хромосомах 2A, 2B, 5B, 6B и 6D с фенотипической вариацией (PVE) 9–26%: AX-15857 2632, Bobhite_c31129_60, AX-15858 6137, BobWhite_c46257_130 и wsnp_JG_c5646_2148382. Идентифицированы четырнадцать идентичных локусов в генотипах ландрас и современных сортов, оказывающих положительное влияние на повышение концентрации белка и клейковины в зерне: AX-94662379, BS00011469_51, AX-94499635, TG 0131, wsnp_JD_c4438_5567972, AX-158586520, Excalibur_c42190_383, Excalibur_c28592_173, CAP8_c145_89, CAP7_rep_c12715_390, AX-158586515, Tdurum_contig75814_655, AX-110992521 и AX-158590420. При этом три локуса – AX-94662379, AX-94499635 и AX-110992521 одновременно ассоциированы с повышенным выходом муки. Район 5D хромосомы характеризуется колоколизацией локусов, отвечающих за накопление белка и клейковины в зерне. В интервале 1,02 Mb 5D хромосомы аннотированы восемь генов-кандидатов: TraesCS5D01G530600, TraesCS5D01G530700, TraesCS5D01G530900, TraesCS5D01G531100, TraesCS5D02G531200, TraesCS5D01G532100, TraesCS5D01G532400, TraesCS5D01G532800 и один новый SNP локус AX-158586520. Выделены источники ландрас благоприятных локусов, рекомендуемые для селекции на улучшение качества зерна: Шведская (к-404), Грановка Сивоколоска (к-1135), Перерод (к-1934), Красноколоска (к-4130), Сибирская (к-8076), Скороспелка (к-9611), Штрубе (к-16111), Красноколоска местная (к-22396), Голуха (к-26446), Тулунка (к-30933), Простая (к-14688), Белотурка (к-26464), Улька (к-28062), Хозяйственный образец № 901 (к-25051), Белотурка (к-25769), Уйманская (к-31917), Простая (к-32651), Опочецкая (к-37319), Башкирка (к-35977), Белая Чуль-Бидай (к-3256), Белая Безостая (к-4145), Русак (к-11373), Белоколоска № 241 (к-22400), к-23320, НОЭ (к-23327), Простая (к-23348), Саксонка (к-26513), Голоколоска (к-26515), красная (к-24773), Китайская (к-34506, к-34507, к-34605), Теремок (к-34278, 34351). Выполнен компьютерный анализ цифровых изображений, полученных видео-оцифровкой RGB. Получены высокие достоверные корреляции в фазу выхода в трубку с признаками: высотой растения, вегетационным периодом, числом колосков, продуктивностью главного колоса и растения, итоговой урожайностью, размером листовой поверхности, размером зерна, площадью, объемом и другими параметрами корней.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта имеют огромное практическое значение для использования в селекции пшеницы для создания исходного материала и сортов с высокой урожайностью, устойчивостью к грибным заболеваниям и хорошим качеством зерна с целью решения проблемы повышения продуктивности и стабилизации производства высококачественного зерна яровой пшеницы. С использованием эффективных генетических источников стародавних и современных сортов создан ценный исходный материал и дигаплоиды для селекции яровой мягкой пшеницы в Западно-Сибирском регионе.