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 22-24-01085

НазваниеДикорастущие родичи культурных злаков (Poaceae) России: молекулярно-филогенетическое исследование методом секвенирования следующего поколения (NGS).

Руководитель Носов Николай Николаевич, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ботанический институт им. В.Л. Комарова Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-102 - Ботаника

Ключевые слова гибридизация, злаки, культурные растения, филогения, хлоропластные гены, Poaceae, ITS, NGS, trnL–trnF

Код ГРНТИ34.15.59

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Молекулярно-филогенетические и постгеномные технологии открыли совершенно новые возможности в исследовании путей эволюции геномов и кариотипов цветковых растений. Роль и место полиплоидии в процессах прогрессивной эволюции растений, ранее подвергавшиеся сомнению, в недавнее время оказались решительно пересмотрены. Это новый этап в изучении механизмов видообразования у растений в целом и происхождения важных в том числе и для сельского хозяйства видов, родов, триб и семейств. Объект нашего исследования – дикорастущие злаки флоры России, родственные культурным видам. Географическим центром наших исследований будет Алтайский край, Республики Алтай и Тыва (особенно горные районы), а также Кавказ. Именно эти регионы являются одними из центров биоразнообразия злаков. Необходимо отметить, что процессы видообразования в этом регионе продолжаются до сих пор. Цель проекта – исследование происхождения и внутригеномного разнообразия геномов полиплоидных злаков России, родственных сельскохозяйственным культурам, на примере модельных регионов с использованием технологии локус-специфичного секвенирования следующего поколения (tag-NGS). Более 200 видов злаков флоры России и в частности почти все родичи культурных растений принадлежит к сложному в таксономическом отношении подсемейству Pooideae. Для представителей этого подсемейства особенно характерна множественная, нередко отдаленная гибридизация . Исследования недавнего времени показывают, что процессы отдаленной гибридизации идут как на межвидовом уровне (Patterson et al., 2005; Quintanar et al., 2007; Kim et al., 2009; Rodionov et al., 2010; Nosov et al., 2015), так и на межродовом, в пределах близких подтриб и даже триб (Родионов и др., 2007; Quintanar et al., 2007; Kim et al., 2009; Nosov et al., 2015; Gnutikov et al., 2020; Rodionov et al., 2020; Urfusová et al., 2020). Как следствие, филогенез современных таксонов в мире цветковых растений (в том числе и злаков) должен быть представлен скорее не в виде древа, а в виде сети, а филогенетические деревья – лишь упрощенный для простоты восприятия «срез» реальной картины. Именно для выявления случаев гибридизации будет изучен весь пул маркерных последовательностей ядерного генома (ITS1– ген 5.8S рРНК) методом секвенирования следующего поколения (NGS). Только этот метод позволяет получить минорные компоненты в геномном наборе аллополиплоидных видов, представленные столь малым числом копий, что они не выявляются как при прямом секвенировании методом Сэнгера, так и при клонировании. Также для построения независимой филогенетической картины будут использованы хлоропластные сиквенсы, такие как trnL–trnF и trnK-rps16. Актуальность планируемого нами цикла работ обусловлена тем, что сейчас, с появлением метода локус-специфичного секвенирования, NGS, стало возможным относительно быстро и весьма надежно изучать происхождение аллополиплоидов, что особенно важно для исследования происхождения культурных видов. Данные сравнительной геномики показали, что аллополиплоидные виды культурных злаков во многих случаях могли возникать неоднократно в результате независимых актов межвидовой гибридизации и их предковыми видами могут быть несколько разных дикорастущих видов. Исследованиями последнего времени показано, что события межвидовой гибридизации, как правило, сопровождаются множественными изменениями генома и эпигенома, экспансией транспозонов, утратой значительной части генов одного из родителей, замещением гомеологов (скрытой анеуплоидией) (Edger et al., 2019; Dadshani et al., 2021; Kawakatsu et al., 2021; Melonek et al., 2021). Как именно сформировались геномы современных и староместных сортов злаков пшеницы, ячменя, овса, давно является предметом дискуссий (Мальцев, 1929; Вавилов, 1960; Riley et al., 1967; Petersen et al. 2006; Loskutov, Rines, 2011; Golovnina et al., 2007; Blattner, 2018; Loskutov et al., 2021; Zhou et al., 2021), однако только сейчас с появлением технологии локус-специфичного секвенирования следующего поколения у нас оказалась возможность исследовать реальные пути происхождения полиплоидов. Есть все основания думать, что генетическое и геномное разнообразие путей происхождения и современного состояния сортов и видов культурных злаков значительно выше, чем это считалось ранее. Выявить его в ходе настоящего проекта – наша задача. Библиография к разделу: Вавилов Н.И. Значение межвидовой и межродовой гибридизации в селекции и эволюции. Избранные труды. Т. 2. 1960. С. 444–460. Мальцев А.И. Новая система sectio Euavena Griseb. // Бюл. по прикл. бот., ген. и селекции. 1929. Т. 20. С. 127–149. Родионов А.В., Ким Е.С., Пунина Е.О., Мачс Э.М., Тюпа Н.Б., Носов Н.Н. Эволюция хромосомных чисел в трибах Aveneae и Pоеае по данным сравнительного исследования внутренних транскрибируемых спейсеров ITS 1 и ITS2 ядерных генов 45S рРНК // Ботанический журнал. 2007. Т. 92. № 1. С. 57–71. Blattner F. R. Taxonomy of the Genus Hordeum and Barley (Hordeum vulgare) / The Barley Genome, Compendium of Plant Genomes. Springer International Publishing AG, part of Springer Nature 2018. Stein and G. J. Muehlbauer (eds.). P. 11–23. https://doi.org/10.1007/978-3-319-92528-8 Dadshani1 S., Mathew B., Ballvora A., Mason A., Léon J. Detection of breeding signatures in wheat using a linkage disequilibrium‑corrected mapping approach // Scientific Reports. 2021. № 11. P. 5527. https://doi.org/10.1038/s41598-021-85226-1 Edger P. P., Poorten T. J., VanBuren R. et al. Origin and evolution of the octoploid strawberry genome // Nature Genetics. 2019. Vol. 51. P. 541–547. https://doi.org/10.1038/s41588-019-0356-4. Gnutikov A. A., Nosov N. N., Punina E. O., Probatova N. S., Rodionov, A. V. On the placement of Coleanthus subtilis and the subtribe Coleanthinae within Grass Family (Poaceae) by new molecular phylogenetic data // Phytotaxa 2020. Vol. 468. №3. P. 243–274. DOI:10.11646/phytotaxa.468.3.2 Golovnina K. A., Glushkov S. A., Blinov A. G., Mayorov V. I., Adkison L. R., Goncharov N. P. Molecular phylogeny of the genus Triticum L. // Pl. Syst. Evol. 2007. Vol. 264. P. 195–216 (2007) DOI 10.1007/s00606-006-0478-x Kawakatsu T., Teramoto Sh., Takayasu S., Maruyama N., Nishijima R., Kitomi Y., Uga Y. The transcriptomic landscapes of rice cultivars with diverse root system architectures grown in upland field conditions // The Plant Journal. 2021.№ 106. P. 1177–1190. https://doi.org/10.1111/tpj.15226 Kim E.S., Nosov N.N., Punina E.O., Rodionov A.V., Bolsheva N.L., Samatadze T.E., Nosova I.V., Zelenin A.V., Muravenko O.V. The unique genome of two-chromosome grasses Zingeria and Colpodium, its origin, and evolution // Russian Journal of Genetics. 2009. Vol. 45. № 11. P. 1329–1337. Loskutov, I. G., Gnutikov, A. A., Blinova, E. V., Rodionov, A. V. (2021) The origin and resource potential of wild and cultivated species of the genus oats (Avena L.) // Russian Journal of Genetics, V. 57, No. 6, P. 642–661. DOI: 10.1134/S1022795421060065 Loskutov I.G., Rines H.W. Wild crop relatives: genomic and breeding resources // Avena. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. P. 109–183. Melonek J., Duarte J., Martin J. et al. The genetic basis of cytoplasmic male sterilityand fertility restoration in wheat // Nature Communications. 2021. № 12. P. 1036. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21225-0 Nosov N.N., Punina E.O., Machs E.M., Rodionov A.V. Interspecies hybridization in the origin of plant species: cases in the genus Poa sensu lato // Biology Bulletin Reviews. 2015. Vol. 5. № 4. P. 366–382. Petersen G., Seberg O., Yde M., Berthelsen K. Phylogenetic relationships of Triticum and Aegilops and evidence for the origin of the A, B, and D genomes of common wheat (Triticum aestivum) // Molecular Phylogenetics and Evolution. 2006. Vol 39. P. 70–82. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2006.01.023 Quintanar A., Castroviejo S., Catalán P. Phylogeny of the tribe Aveneae (Pooideae, Poaceae) inferred from plastid trnT‐F and nuclear ITS sequences // American Journal of Botany. 2007. Vol. 94. № 9. P. 1554–1569. Rodionov A. V., Gnutikov A. A., Nosov N. N., Machs E. M., Mikhaylova Y. V., Shneyer V. S., Punina E. O. Intragenomic polymorphism of the ITS1 region of 35S rRNA gene in the group of Grasses with two-chromosome species: different genome composition in closely related Zingeria species // Plants-Basel. 2020.Vol. 9, № 12. 1647. DOI:10.3390/plants9121647 Rodionov A.V., Nosov N.N., Kim E.S., Machs E.M., Punina E.O., Probatova N.S. The origin of polyploid genomes of bluegrasses Poa L. and gene flow between Northern Pacific and Sub-Antarctic Islands // Russian Journal of Genetics. 2010. Vol. 46. № 12. С. 1407–1416. Riley R., Coucoli H., Chapman V. Chromosomal interchanges and the phylogeny of wheat // Heredity. 1967. Vol. 22, P. 233–247. Urfusová R., Mahelka V., Krahulec F., and Urfus T. Evidence of widespread hybridization among couch grasses (Elymus, Poaceae) // Journal of Systematics and Evolution. 2020. Vol. 59. № 1. P. 113–124. doi: 10.1111/jse.12563. Zhou Ch., Yuan Zh., Ma X., Yang H. et al. Accessible chromatin regions and their functional interrelations with gene transcription and epigenetic modifications in sorghum genome // Plant Communications. 2021. № 2. P. 10014. https://doi.org/10.1016/j.xplc.2020.100140

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---