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 23-76-00005

НазваниеГенотипирование и хемотипирование разнообразия образцов овса и ячменя коллекции ВИР по признакам качества зерновки для развития новых направлений селекции следующего поколения.

РуководительЛоскутов Игорь Градиславович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н. И. Вавилова", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2026 г. 

Конкурс№79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Объект инфраструктуры Центр коллективного пользования Института органической химии РАН.

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

Ключевые словаОвес, ячмень, Avena, Hordeum, секвенирование, GWAS, маркеры, метаболомное профилирование, структура зерновки, белок, масло, крахмал, жирнокислотный состав масла, β-глюканы, антиоксидантная активность, сумма фенольных соединений.

Код ГРНТИ68.35.03

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Главным направлением селекции сельскохозяйственных культур является увеличение продуктивности и улучшение качественных показателей зерна. Успешное решение этих и вновь возникающих проблем селекции возможно при наличии соответствующего генотипированного исходного материала, в виде выделенных и созданных источников и доноров хозяйственно ценных признаков с использованием методов генетики, биохимии и молекулярной биологии. Коллекции овса и ячменя ВИР представлены мировым разнообразием староместных сортов, которые возделывались еще с конца ХIХ века, и селекционными сортами с разным уровнем селекцонной проработки, используемыми в настоящее времени на земном шаре, а также сортами, внесенными в Реестр селекционных достижений РФ. Данный проект нацелен на получение экспериментальных данных по комплексу широкого спектра биохимических свойств и метаболомного профилирования с использованием методов полногеномного анализа ассоциаций (GWAS) образцов овса и ячменя, и ассоциаций генотип-фенотип по широкому спектру признаков для расширения генетической основы создаваемых сортов нового поколения Сравнительное изучение широкого спектра биохимических признаков разнообразия овса и ячменя и их генотипирование проводится впервые и имеет фундаментальное значение для получения новых знаний по биохимической структуре зерновки, а также для использования конкретных генотипированных образцов в ускоренной практической селекции, направленной для получения функциональных продуктов питания. Проведение комплексных междисциплинарных исследований всего разнообразия овса и ячменя с целью выделения контрастных исходных форм позволит целенаправленно ускорить процесс селекции нового поколения для создания новых сортов пищевого, диетического и функцонального направлений использования. Для метаболономики и хемотипирования материала в Институте органическкой химии им. Н.Е. Зелинского РАН (ЦКП ИОХ РАН) будут применяться самые современные аналитические методы и оборудование. Использование спектроскопии ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) является одним из наиболее часто используемых методов для метаболомики, поскольку он способен определять состав и структуру соединений и позволяет идентифицировать большое число метаболитов. Но зерновые культуры, в частности, овес и ячмень, не являются предметом исследования в химических и технологических лабораториях по поиску новых пищевых ингредиентов в нашей стране. Вместе с тем, генетическое разнообразие рода Avena L. и рода Hordeum L.в коллекции ВИР, практически комплексно не изучено с использованием широкого спектра хемотипирования и метода полногеномного анализа ассоциаций (GWAS). Благодаря уникальности коллекции ВИР исследование с помощью метода GWAS будут получены новые знания об структурно-функциональной организации широкого спекра генов разнообразия овса и ячменя, что позволит не только верифицировать локусы, обнаруженные ранее другими исследователями, но и выявить новые. В результате изучения будет выделен новый исходный материал для селекции овса и ячменя, обладающий комплексом хозяйственно ценных признаков, улучшенными показателями качества, адаптивностью и устойчивостью к заболеваниям. Все выделенные генотипированные образцы будут разосланы в ведущие селекцентры РФ, для включения их в ускоренный селекционный процесс с целью получения высокоурожайных высококачественных и устойчивых к биотическим факторам сортов овса и ячменя нового поколения. Для сортов, входящих в Реестр селекционных достижений РФ, будут разработаны рекомендации по использованию их в непосредственной переработке для получения продуктов питания. Данный проект может привести к развитию новых направлений в селекции, в том числе маркер-ориентированной селекции (MAS), зерновых культур следующего поколения в РФ, которые повысят инвестиционную привлекательность по выращиванию, переработке и получению функциональных продуктов питания с высокой добавочной стоимостью.

Ожидаемые результаты
Овес (Avena sativa L.) и ячмень (Hordeum vulgare L.) являются самыми востребованные зерновые культуры на рынке производства продуктов функционального питания. Продолжение исследования многообразия овса и ячменя из коллекции ВИР, в основе которого лежит комплексное биохимическое изучение, включая метаболомное профилирование образцов с последующим полномасштабным секвенированием, проводится с использованием современных методов и уникального оборудования на основе ЦКП ИОХ РАН, как объекта инфраструктуры. Особенности биохимического состава зерна овса и ячменя позволяют его использовать для диетического, профилактического и лечебного питания, в том числе для лиц, страдающих непереносимостью глютена (целиакией). Мировое растениеводство, в том числе и в России, ориентировано на здоровый образ жизни и потребление продуктов, которые могут дать необходимый набор микроэлементов, поэтому повышенное содержание полезных для здоровья веществ в культурах становится одним из важных показателей конкурентоспособности сортов. В составе мировой коллекции генетических ресурсов ВИР им. Н.И. Вавилова собрано как большое разнообразие культурных видов, так и дикие родичи овса и ячменя, которые при вовлечении в селекционные программы, позволяют расширять генетическую изменчивость новых выводимых сортов, в частности повышать, не только признаки пищевых достоинств этих культур, но и другие селекционно значимые параметры, например, устойчивость к биотическим и абиотическим факторам. В результате полевого фенотипирования (в течение трех лет в полевых условиях Пушкинских и Павловских лабораторий ВИР и Тюменского НЦ РАН) видового разнообразия овса и ячменя коллекции ВИР (250 образцов овса и 200 образцов ячменя) будут выделены источники и доноры важнейших хозяйственно ценных признаков для селекции этих культур. Полевые изучения в течение трех лет позволят нивелировать влияние окружающей среду на фенотипическое проявление изучаемых признаков. Проведение комплексного хемотипирования коллекций (250 образцов овса и 200 образцов ячменя) позволит выделить образцы с высокими показателями белка, крахмала, масла, провитамина А, β-глюканов, антиоксидантной активности, суммы фенольных соединений, а также с оптимальным жирно-кислотным составом (высокими значениями полиненасыщенных и оптимальным соотношением омега-3 и омега-6 жирных кислот, витамина F), и других антиоксидантов, которые могут стать источниками ценных признаков качества при создании новых сортов с улучшенными пищевыми свойствами – источниками сырья для расширения ассортимента продуктов функционального питания. С использованием объекта инфраструктуры (ЦКП ИОХ РАН) в результате метаболомного профилирования (ЯМР, масс спектроскопия FT-ICR и ESI-HRMS) и изучения морфологии, микроструктуры зерновки с использованием электронной микроскопии, а также изучение иерархической организации химических компонентов и микротомография зерновки овса и ячменя. Использование классических методов биохимии (Къельдаля, Эверса, Сокслета, спектрометрический в разных диапазонах длин волн) с комплексом методов современного анализа (ГЖХ-МС ИК-спектрометрия) и метаболомного профилирования впервые позволит дешифровать биохимический набор соединений, с которыми связано то или иное хозяйственно ценное преимущество выделившихся при изучении образцов, понять метаболические механизмы, связанные с формированием этих признаков, установить вещества-маркеры устойчивости к стрессам, пищевой, кормовой ценности, что дает надежный способ идентификации образцов овса, обладающих необходимым набором хозяйственно ценных признаков. В ходе реализации проекта будут получены новые знания об структурно-функциональной организации генов и осуществлен поиск новых ДНК маркеров, ассоциированных с хозяйственно ценными признаками, биохимическими свойствами и метаболомными профилями на основе полногеномного анализа ассоциаций (GWAS) на выборках из 250 образцов овса (Avena sativa L.) и 200 образцов ячменя (Hordeum vulgare L.), изученных при помощи полевого фено-, хемо-, генотипирования и метаболомного профилирования. Будет проведено выявление генов биосинтеза β-глюканов, путем ресеквинирования аллельных вариантов у диплоидных хемотипированных образцов (50 образцах A. strigosa Schreb. и диких видов рода Avena L.). Будет изучена генетическая структура представленных выборок овса и ячменя из коллекции ВИР. На основе полученных данных по фенотипированию и генотипированию будет проведен ассоциативный анализ, который позволит выявить маркеры, ассоциированные с хозяйственно ценными признаками. Результатом проекта будет выделение нового генотипированного исходного материала для селекции овса и ячменя, обладающего комплексом хозяйственно ценных признаков, повышенными показателями качества, адаптивностью и устойчивостью к заболеваниям. Все выделенные генотипированные образцы будут разосланы в ведущие селекцентры РФ для включения их в ускоренный селекционный процесс с целью получения высокоурожайных высококачественных сортов овса и ячменя нового поколения. Для сортов, входящих в Реестр селекционных достижений РФ, будут разработаны рекомендации по использованию их в непосредственной переработке для получения продуктов питания. В результате данного проекта будут разработаны методические рекомендаций по использованию комплекса методов фено-, хемо- и генотипирования, которые придадут ускорение развитию новых направлений в селекции (MAS) зерновых культур следующего поколения в РФ. На сегодняшнем этапе развития ВИР им. Н. И. Вавилова обладает уникальной мировой коллекцией генетических ресурсов овса и ячменя и специалистами высокого уровня, а ЦКП ИОХ РАН, как объект инфраструктуры, уникальным набором оборудования необходимым кадровым потенциалом в широком диапазоне квалификации специалистов, с одновременной свободой в выборе методологий научного поиска. Не подлежит сомнению, что успешное решение выше упомянутых и вновь возникающих проблем создания нового поколения сортов важнейших зерновых культур возможно лишь ускоренной селекции и наличии соответствующего генотипированного исходного материала. Большое значение здесь приобретает выделение и создание источников и доноров хозяйственно ценных признаков и тщательность изучения компонентов для гибридизации с использованием методов генетики, биохимии, метаболомики и молекулярной биологии.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Данный проект нацелен на получение экспериментальных данных по комплексу хозяйственно ценных признаков, биохимических свойств и метаболомного профилирования с использованием методов полногеномного анализа ассоциаций (GWAS) образцов культурного овса и ячменя и ассоциаций генотип-фенотип по широкому спектру признаков, что будет способствовать выделению и использованию новых генотипированных источников и доноров селекционных признаков, качества зерна и биотической устойчивости для расширения генетической основы создаваемых сортов. При реализации проекта в первые год проведено изучение 200 образцов ярового ячменя различного эколого-географического происхождения на полях НБП «Пушкинские и Павловские лаборатории ВИР» и 200 образцов овса на полях Тюменского национального центра СО РАН. Выделены источники ячменя по продуктивности с урожайностью зерна более 630 г/м2. В результате комплексного фенотипического изучения 200 образцов овса коллекции ВИР по основным хозяйственно-ценным признакам в условиях Тюменской обл. были выделены сорта, перспективные для включения в селекционный процесс. Предварительное полевое изучение устойчивости к корончатой ржавчине показало, что образцы с идентифицированными аллелями генов устойчивости − Pc48, Pc49, Pc50-4, Pc55, Pc56, Pc58, Pc60, Pc62, Pc63, Pc64 являются в данной зоне эффективными, а аллели − Pc35, Pc38, Pc39, Pc40, Pc45, Pc46, Pc47 не показали свой эффективности. Все выделенные источники будут разосланы в селекцентры РФ. В результате изучения на полях НБП «Пушкинские и Павловские лаборатории ВИР» 50 образцов овса песчаного коллекции ВИР из Российской Федерации и 16 стран Европы и Америки были выделены источники хозяйственно ценных признаков. С помощью Объекта Инфраструктуры в ЦКП ИОХ РАН было проведено изучение спектроскопии ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), которое позволило обнаружить, что основными сигналами, присутствующими в 1H ЯМР спектре в растворе высушенного экстракта овса, растворенного в дейтерированном метаноле, являются сигналы жирных кислот. Показано, что при использовании в качестве растворителя дейтерированной воды в качестве растворителя для регистрации спектров ЯМР удается значительно снизить концентрацию жирных кислот в растворе и обнаружить в спектрах сигналы некоторых аминокислот (аланин, валин, лейцин, изолейцин), ацетата, сахарозы (дисахарида α-D-глюкозы и β-D-фруктофуранозы). На следующем этапе планируется дальнейшая расшифровка спектров ЯМР для выявления остальных соединений, присутствующих в спектре, а также статистический анализ содержания обнаруженных соединений в зарегистрированных спектрах образцов овса. В ЦКП ИОХ РАН было проведено изучение морфологии, микроструктуры зерновок с использованием электронной микроскопии 50 образцов (пробная партия) культурных видов овса коллекции ВИР с разным уровнем плоидности. Данное исследование показало, что все изученные образцы овса имели схожую структуру. Из данной выборки выделялся образец к-15439 A. sativa (2n=42), отличающийся отсутствием крупных включений, и образец K-14439 A. strigosa (2n=14) с отсутствием мелких включений. Примечательно, что такая особенность была характерна и для других образцов с голозерными разновидностями. Данный факт показывает возможную связь между признаком голозерности и особенностью метаболизма, что подтверждается данными по биохимическим показателям. Изучение в отделе биохимии и молекулярной биологии образцов ячменя и культурных видов овса (450 образцов) из мировой коллекции ВИР позволило выделить источники биохимических показателей. Высокими значениями по изученным показателям у образцов овса песчаного A. strigosa отличались по белку: к-9890 (21,3%); по маслу – к-15130 (8,1%); по крахмалу – к-15024 (56,9%); по ФВ – к-14944 (215,5 мг%); по β-глюканам – к-14674 (5,75%); по АОА – к-9890 (30,2 мг%). Высокими значениями по биохимическим показателям у образцов овса посевного A. sativa отличались по белку: к-14712 (22,88%); по маслу –к-15116 (9,02%); по крахмалу –к-15655 (58,32%); по ФВ – к-15127 (208,4 мг%); по β-глюканам –к-15126 (5,43%); по АОА – к-15085 (25,5 мг%). Высокими значениями по биохимическим показателям у образцов ярового ячменя H. vulgare отличались по белку: к-21363 (22,97%); по маслу – к-29766 (2,38%); по крахмалу – к-31540 (66,55%); по ФВ – к-603 (198,17 мг%); по β-глюканам – к-21363 (7,27%); по АОА – к-20076 (28,6 мг%). Средние показатели жирно-кислотного состава голозерных форм (ГФ) и пленчатых форм (ПФ) зерновок овса посевного (A. sativa) были практически идентичными. Доминирующими ненасыщенными ЖК кислотами были олеиновая и линолевая кислоты, насыщенными – пальмитиновая кислота. Для ЖКП овса песчаного (A. strigosa) было характерным увеличение суммы насыщенных и снижение ненасыщенных кислот до средних значений 23,2 и 76,0%, соответственно. Такое изменение в ЖКП A. strigosa произошло из-за увеличения содержания пальмитиновой и арахиновой кислот до 21,6 и 0,9%, соответственно, и уменьшения – линолевой кислоты в среднем до 31,5%. ЖКП ярового ячменя обыкновенного насчитывал четыре доминирующих ЖК. Все выделенные источники посевного овса и ярового ячменя будут разосланы в селекцентры РФ. Для проведения ускоренного биохимического скрининга зерновок, изучаемых образцов, построена калибровочная кривая на инфракрасном анализаторе Matrix-1 Bruker (Германия). На примере образцов зерна ячменя, получены калибровочные модели по определению белка, крахмала, масла, бета-глюканов, фенольных веществ. Показатели, полученные с помощью калибровочных кривых для определения содержания белка, масла и крахмала являлись достоверными и апробированы на новых образцах ячменя с известными значениями анализируемых показателей. Проведена проверка достоверности полученных результатов с помощью построенной калибровочной кривой. При высокой степени достоверности данных, получаемых с помощью построенных калибровочных кривых по основным показателям пищевого качества зерна. За отчетный период в рамках проекта было проведено выделение ДНК из 250 образцов ди- и полиплоидных видов овса (наборы QIAGEN для выделения ДНК: DNA plant mini kit). При помощи электрофоретического метода при помощи постановки горизонтального гель-электрофореза подтверждено качество ДНК высокой степени очистки с применением набора DNA plant mini kit, QIAGEN и набора ДНК-экстран 3, ООО «Синтол». Из этого набора 200 образцов овса A. sativa отправлены на генотипирование в Курчатовский НИЦ. По результатам генотипирования начата биоинформитичекая обработка маркеров, ассоциированных с хозяйственно-ценными признаками, данная работа будет продолжена в 2024 году. Осуществлен поиск генов A. sativa, связанных с биосинтезом β-глюканов, выполнен дизайн праймеров к нуклеотидным последовательностям данных генов. Все начатые полевые и лабораторные исследования в рамках проекта будут продолжены в 2024 г. Проведение работ по данному проекту показало значительное разнообразие по всем изученным признакам и свойствам представительного набора образцов ячменя и овса мировой коллекции ВИР. Ссылка на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященная данному проекту: https://www.vir.nw.ru/proekty-i-programmy/#1702292692768-c2c9cc0d-4b65

 

Публикации

1. Попов В.С., Шеленга Т.В., Ковалева О.Н. , Хорева В.И. Использование бик-спектрометрии для определения биохимических показателей в зерне ячменя. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции, - (год публикации - 2023)

2. Н.А. Швачко*, Д.А. Кочнева, О.Н. Ковалева, К.А. Лукина, Т.В. Семилет, И.Г. Лоскутов Применение полногеномного анализа ассоциаций для выявления маркеров, ассоциированных с хозяйственно ценными признаками овса и ячменя (обзор) Вавиловский журнал генетики и селекции, - (год публикации - 2023)

3. Ковалева О. Н., Лукина К. А. Разнообразие по продолжительности вегетационного периода образцов ярового ячменя из коллекции ВИР в условиях Северо-Западного региона РФ МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ В СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ И РАСТЕНИЕВОДСТВЕ X Международная научно-практическая конференция, посвященная 300-летию Российской академии наук, Киров, 8-9 ноября 2023. 105-110., МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ В СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ И РАСТЕНИЕВОДСТВЕ X Международная научно-практическая конференция, посвященная 300-летию Российской академии наук, Киров, 8-9 ноября 2023. 105-110. (год публикации - 2023)