Генетические детерминанты окультуривания и диверсификации нута

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 22-46-02004

НазваниеГенетические детерминанты окультуривания и диверсификации нута

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 №63 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DST)

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

Ключевые слова эпигенетика, мобильные элементы, нут, селекция, окультуривание, полногеномное секвенирование, метилирование ДНК, 5‒азацитидин

Код ГРНТИ68.03.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Эпигенетика играет важную роль в адаптации растений посредством механизма, детали которого в настоящее время полностью не ясны. Одним из возможных кандидатов на роль генетического механизма в эпигенетической адаптации растений являются встройки транспозонов. В то время как роль транспозон‒индуцируемых изменений в окультуривании растений продемонстрирована на многочисленных примерах, вопрос о роли специфических эпигенетических изменений в этом процессе и при вторичной диверсификации остается открытым. Участвуют ли в процессе окультуривания аллели, имеющие чисто эпигенетическую природу или все эпигенетические изменения, отбираемые селекцией и обуславливающие адаптацию сортов к условиям произрастания, имеют генетическую основу? Пока мы не имеем четкого ответа на этот важный вопрос, потенциально значимый для селекции растений. В этом проекте мы предлагаем охарактеризовать в обширной коллекции диких видов, староместных и культурных сортов а также гибридов нута фенотипическое разнообразие, обусловленное транспозонами и одним из типов эпигенетических изменений ‒ метилированием ДНК, а также изучить биологическую роль этих изменений в детерминации важных сельскохозяйственных признаков и в процессе окультуривания и вторичной диверсификации с тем, чтобы, в конечном итоге, разработать новые пути селекции этой культуры посредством контролируемой активации таких пока недостаточно исследованных типов изменчивости. Корреляция между эпиаллелями и фенотипами продемонстрирована во многих работах, однако такой подход не позволяет наблюдать возникновение эпиаллелей в режиме реального времени. Мы экспериментально уменьшим уровень метилирования генома путем обработки прорастающих семян 5‒азацитидином для de novo индукции мобильных элементов и эпиаллелей. Мы охарактеризуем фенотипические эффекты такого воздействия и проанализируем их наследование, что позволит выявить казуальную природу индуцированных изменений. Наш проект является в высшей степени инновационным, поскольку он сочетает в себе новейшую геномику с передовым математическим моделированием. Мы используем недавно разработанные многопризнаковые и многолокусные модели структурных уравнений (mtmlSEM) для разделения эффектов наследуемых эпиаллелей и однонуклеотидных полиморфизмов (ОНП) на экспрессию генов и фенотипическую изменчивость (Igolkina et al., 2020). Это позволит индивидуально охарактеризовать эффекты ОНП, транспозонов и эпиaллелей и установить причинно-следственные связи между ними.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дук М.А., Канапин А.А, Банкин М.П., Вишнякова М.А., Булынцев С.В., Самсонова М.Г. Анализ геномных ассоциаций местных и селекционных сортов культурного нута Биофизика (год публикации - 2023)

2. Саранин З.А., Самсонова М.Г., Козлов К.Н. Параметризация модели времени цветения образцов дикого нута с переносом знаний от нескольких источников Биофизика (год публикации - 2023)

3. Иголкина А.А., Нуждина Н.В., Вишнякова М.А.,Лонгкоре Т., вон Уэттебрг Э., Нуждин С.В., Самсонова М.Г. Historical Routes for Diversification of Domesticated Chickpea Inferred from Landrace Genomics Molecular Biology and Evolution, Volume 40, Issue 6, June 2023, msad110, (год публикации - 2023)
10.1093/molbev/msad110

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В предыдущих исследованиях генетического разнообразия нута не было уделено достаточное внимание паттернам мобилома, поэтому для полноценного исследования староместных сортов и возможности использования их в селекционных программах, мы сконцентрировались на исследовании вставок транспозонов. Проанализировав 190 геномов нута, мы обнаружили 42324 сайта инсерции транспозонов 83-х суперсемейств. Большинство инсерций вызваны мобилизацией ретротранспозонов (67% инсерций). Из ДНК‒транспозонов наибольшее число инсерций найдено для суперсемейств MuDR, PIF, hAT, CMC и TcMar. Мы также показали, что сайты встройки транспозонов, которые до недавнего времени находились вне поля зрения популяционной геномики, являются важным фактором, диверсифицирующим фенотипы, что позволяет использовать их в полногеномном поиске ассоциаций в качестве маркеров, замещающих однонуклеотидные полиморфизмы. Разработан подход, объединяющий искусственные изображения и современные алгоритмы машинного обучения для прогнозирования признаков продуктивности нута с использованием геномных данных. Построены отдельные модели для признаков вес тысячи семян, число семян на растении и вес растения, и модели, предсказывающие все признаки одновременно. Точность моделей составила 80 ‒ 85%. Для каждого признака определены наиболее важные для решения модели QTN, маркирующие кандидатные гены. Мы исследовали ассоциации генотипа с 12 агрономически важными признаками у 159 образцов из коллекции Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова. Коллекция включала в себя 145 местных сортов и 13 сортов, выращенных в различных климатических условиях на Кубани (45◦18′ с.ш. и 40◦52′ в.д.) в 2016 и 2022 годах, а также в Астрахани (46◦06′ с.ш. и 48◦04′ в.д.) в 2022 году. Используя модель IIIVmrMLM в мультисредовом режиме, мы идентифицировали староместные сорта, обладающие наибольшим числом благоприятных аллелей для признаков урожайности и скороспелости. Для изучения наследуемости измененных фенотипов под действием 5‒азацитидина мы отобрали 4 образцa, у которых наблюдались сильные дефекты листьев и замедление роста. Анализ потомства этих растений показал, что морфологические изменения, свойственные родительским генотипам, сохраняются в потомстве, причем у растений с замедленным ростом еще и наблюдалось существенное замедление формирования ветвей первого порядка. Таким образом, 5‒азацитидин может индуцировать наследуемые фенотипические изменения в геноме нута, однако для оценки потенциальной пригодности его в качестве нового источника фенотипического разнообразия для адаптивного улучшения современных сортов необходимо продолжение исследований.

Публикации

1. Дук М.А., Канапин А.А., Орлова Е.А., Самсонова М.Г. IIIVmrMLM Provides New Insights into the Genetic Basis of the Agronomic Trait Variation in Chickpea Agronomy, Agronomy 2024, 14, 1762. https://doi.org/10.3390/ agronomy14081762 (год публикации - 2024)
10.3390/ agronomy14081762

2. Банкин М.П., Тырыкин Я.А., Дук М.А., Самсонова М.Г., Козлов К.Н. Modeling Chickpea Productivity with Artificial Image Objects and Convolutional Neural Network Plants, Plants 2024, 13, 2444. https://doi.org/ 10.3390/plants13172444 (год публикации - 2024)
10.3390/plants13172444

3. Станин В.А., Дук М.А., Банкин М.П., Канапин А.А., Самсонова А.А., Самсонова М.Г. Genetic diversity shaped by transposon variation in chickpea Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология: Четырнадцатая международная мультиконференция : Тез. докл. (Россия, Новосибирск, 5–10 авг. 2024 г.), Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология: Четырнадцатая международная мультиконференция : Тез. докл. (Россия, Новосибирск, 5–10 авг. 2024 г.) / Ин-т цитологии и генетики СО РАН; Новосиб. нац. исслед. гос. ун-т. – Новосибирск: ИЦиГ СО РАН, 2024. – XXXVI с., 2372 с. – ISBN 978-5-91291-067-8 (год публикации - 2024)
doi 10.18699/bgrs2024-06-51

4. Мальцов Д.Д., Самсонова М.Г., Козлов К.Н. Сетевая марковская модель прогнозирования веса тысячи семян у генотипов нута Биофизика (год публикации - 2025)

5. Дук М.А., Канапин А.А., Банкин М.П., Самсонова М.Г. Использование метода IIIVmrMLM для подтверждения и поиска новых геномных ассоциаций у культурного нута Биофизика (год публикации - 2024)

6. Станин В.А., Дук М.А., Канапин А.А., Самсонова А.А., Суркова С.Ю., Самсонова М.Г. Разнообразие нута, обусловленоe полиморфизмом вставок транспозонов Вавиловский журнал генетики и селекции (год публикации - 2024)

7. Козлов К.Н., Банкин М.П., Самсонова М.Г. Genomic prediction in plants using machine learning Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология: Четырнадцатая международная мультиконференция : Тез. докл. (Россия, Новосибирск, 5–10 авг. 2024 г.), Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология: Четырнадцатая международная мультиконференция : Тез. докл. (Россия, Новосибирск, 5–10 авг. 2024 г.) / Ин-т цитологии и генетики СО РАН; Новосиб. нац. исслед. гос. ун-т. – Новосибирск: ИЦиГ СО РАН, 2024. – XXXVI с., 2372 с. – ISBN 978-5-91291-067-8 (год публикации - 2024)
doi 10.18699/bgrs2024-06-42

Возможность практического использования результатов
Результаты GWAS выполненные в Дук и др., 2024 и Duk et al., 2024 позволили оценить количество благоприятных и негативно влияющих аллелей в каждом сорте и ранжировать их по перспективности для селекции. 14 сортов имели наибольшее количество благоприятных аллелей, ассоциированных со скороспелостью и 22 сорта имели наибольшее количество аллелей, ассоциированных с признаками урожайности, причем сорта VIR637, VIR620, VIR244 и VIR230 определились как перспективные в плане и скороспелости, и урожайности. Указанные сорта могут быть включены в программы селекции. Данные о новых, ранее не идентифицированных инсерциях транспозонов в сортах нута ‒ ценный ресурс, который может быть использован в качестве отправной точки для селекции улучшенных сортов нута по признакам интереса и адаптированных к различным климатическим условиям.