Выявление физиологических и молекулярных маркеров для поиска засухоустойчивых и высокопродуктивных генотипов в генофонде гуара (Cyamopsis tetragonolоba (L.) Taub.) – исходного материала для селекции отечественных сортов

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 23-16-00195

НазваниеВыявление физиологических и молекулярных маркеров для поиска засухоустойчивых и высокопродуктивных генотипов в генофонде гуара (Cyamopsis tetragonolоba (L.) Taub.) – исходного материала для селекции отечественных сортов

Руководитель Вишнякова Маргарита Афанасьевна, 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

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-104 - Агробиотехнологии

Ключевые слова Гуар (Cyamopsis tetragonolоba (L.) Taub.), засуха, устойчивость, семенная продуктивность, качество семян, камедь, метаболомика, протеомика, молекулярные маркеры, транскриптом, микросимбионты, эффективность симбиоза

Код ГРНТИ34.31.23, 68.35.31, 34.31.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на выявление адаптационного потенциала и раскрытие механизмов толерантности к засухе гуара (Cyamopsis tetragonolоba (L.) Taub.) – нетрадиционного для РФ культурного бобового растения многопрофильного использования. Наиболее ценный и стратегически важный продукт, получаемый из семян гуара, - камедь (галактоманнан). Ее используют в качестве присадки для буровых растворов в нефтедобывающей промышленности. РФ зависит от импорта камеди, поскольку основное производство гуара сосредоточено в тропических районах. Гуар — теплолюбивое и нетребовательное к почве растение, характеризуется как умеренно засухоустойчивое. Между тем известно, что при оптимальном влагообеспечении его семенная продуктивность, а также выход и вязкость камеди увеличиваются многократно. В последнее десятилетие российские аграрии приобрели опыт по выращиванию гуара в южных регионах нашей страны, а создание нескольких сортов российской селекции свидетельствует о перспективах производства отечественной гуаровой камеди. Для этого необходимо понять механизмы адаптации растения к определенным условиям среды для эффективного поиска в генофонде гуара генотипов, способных использовать почвенно-климатический потенциал РФ. Для достижения этой цели был инициирован данный проект. Объектом исследования станут образцы гуара из коллекции ВИР, полевое фенотипирование которых будет осуществлено на Волгоградской опытной станции ВИР в закрытом грунте на поливе и без полива. Будут выявлены контрастные по отношению к засухе генотипы, для которых будут детально охарактеризованы связанные со стрессом изменения продуктивности семян и вегетативной массы, выхода и вязкости камеди, паттернов первичных и вторичных метаболитов. Будет проведен анализ аллельного состояния гена засухоустойчивости CtMT1, осуществлен поиск молекулярных маркеров к нему. Будет проанализирован транскриптом семян гуара на разных сроках спелости семян и исследованы профили экспрессии генов, вовлечённых в синтез галактоманнана (камеди). Будет проведён поиск корреляций морфологических и физиологических характеристик засухоустойчивости с экспрессией генов, содержанием индивидуальных белков и метаболитов, что позволит выявить маркерные гены, белки и метаболиты экспрессия/содержание которых ассоциированы с сохранением свойств камеди в условиях засухи. Будет изучено влияние изменений, происходящих и во взаимодействиях гуара с азотфикирующими бактериями при засухе, на интересующие нас параметры продуктивности. Будет исследована способность гуара взаимодействовать и с другим микросимбионтом – грибами арбускулярной микоризы в почвах Нижнего Поволжья, поскольку микоризация помогает растениям противостоять засухе и приводит к увеличению урожайности семян, содержания полезных метаболитов и, вполне вероятно, может привести к увеличению содержания камеди в семенах гуара. Для понимания связи между отдельно анализируемыми событиями будет проведен интегрированный анализ всех полученных данных, что позволит аннотировать метаболические и регуляторные пути, вовлеченные в ответ на засуху. Поскольку «мультиомиксный» подход будет впервые использован для идентификации морфологических, физиологических и молекулярных маркеров системных изменений, происходящих у гуара в ответ на засуху, фундаментальный характер и новизна данного проекта не вызывает сомнений. Его важное практическое значение выражается в разработке предпосылок для маркер-опосредованной селекции гуара – новой стратегически важной для РФ культуры. Познание фундаментальных основ формирования и развития симбиотических взаимоотношений и путей их оптимизации ведет к снижению необходимости применения минеральных удобрений, что имеет значительный экономический и природоохранный эффект. Содержание проекта позволяет быть уверенным в его высокой актуальности и востребованности полученных данных в селекционных и растениеводческих работах для получения и производства новых высокопродуктивных и засухоустойчивых сортов гуара для условий РФ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Вишнякова М.А., Фролова Н., Фролов А. Drought Stress Response in Guar (Cyamopsis tetragonoloba (L.) Taub): Physiological and Molecular Genetic Aspects. Plants. 2023; 12(23):3955. https://doi.org/10.3390/plants12233955 Plants, Vishnyakova MA, Frolova N, Frolov A. Drought Stress Response in Guar (Cyamopsis tetragonoloba (L.) Taub): Physiological and Molecular Genetic Aspects. Plants. 2023. Volume 12 Issue 23: 3955c (год публикации - 2023)
10.3390/plants12233955

2. Вишнякова М.А., Шаухаров Р.А., Агаханов М.М., Кочерина Н.В., Дзюбенко Е.А. ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ГЕНОФОНДА ГУАРА ПО ОТНОШЕНИЮ К ЗАСУХЕ В УСЛОВИЯХ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ ВИР – 130: Генетические ресурсы растений: К 130-летию со дня учреждения Бюро по прикладной ботанике при Ученом комитете Министерства земледелия и государственных имуществ Российской Империи: материалы конференции., ВИР – 130: Генетические ресурсы растений: К 130-летию со дня учреждения Бюро по прикладной ботанике при Ученом комитете Министерства земледелия и государственных имуществ Российской Империи: материалы конференции, г. Санкт-Петербург, 4–9 ноября 2024 г. – Санкт-Петербург: ВИР, 2024. (год публикации - 2024)
10.30901/978-5-907780-13-2

3. Гурина А.К., Билова Т.Е., Казантаева М., Шаухаров Р., Черевацкая М.А., Фролов А.А., Вишнякова М.А. Фенотипирование и физиологический скрининг как подход для выявления засухоустойчивых сортов гуара ГЕНОФОНД И СЕЛЕКЦИЯ РАСТЕНИЙ. Материалы 7-й Международной конференции, посвященной 95-летию академика РАН П.Л. Гончарова. 10–12 апреля 2024 г., Новосибирск, Россия , Генофонд и селекция растений. Материалы 7-й Международной конференции, посвященной 95-летию академика РАН П.Л. Гончарова. Новосибирск, 2024. С. 107-108. (год публикации - 2024)
10.18699/GPB2024-28

4. М. А. Вишнякова, Е. А. Дзюбенко, Н. В. Кочерина, М. М. Агаханов, Р. А. Шаухаров Фенотипирование образцов гуара из коллекции ВИР в условиях полива и искусственной засухи в Волгоградской области Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции, Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции, № 1, том... , 2025 (год публикации - 2025)
10.30901/2227-8834

5. Вишнякова М.А., Шаухаров Р.А., Гурина А.К., Кочерина Н.В., Дзюбенко Е.А., Черевацкая М.А., Фролова Н. В., Фролов А.А. Гуар в Российской Федерации: попытка осмысления полученного опыта Материалы 7-й Международной конференции, посвященной 95-летию академика РАН П.Л. Гончарова. Новосибирск, 2024. С. 88-92. Издательство: Федеральный исследовательский центр институт цитологии и генетики СО РАН. , Материалы 7-й Международной конференции, посвященной 95-летию академика РАН П.Л. Гончарова. Новосибирск, 2024. С. 88-92. Издательство: Федеральный исследовательский центр институт цитологии и генетики СО РАН. (год публикации - 2024)
10.18699/GPB2024-23

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На Волгоградской опытной станции ВИР проведено фенотипирование 30 образцов гуара из коллекции ВИР, отобранных по максимальной семенной продуктивности в режимах полива и засухи из выборки d 50 образцов, фенотипированной в 2023 г. Используемый в 2023 г. полив 5 л/растение в неделю, признанный избыточным, заменили на режим 2,5 л/растение в неделю, показавший себя как оптимальный. Подтверждена выявленная в 2023 г. дифференциация образцов по отношению к засухе (толерантные, чувствительные) с отличиями у некоторых нейтральных к водоснабжению образцов. Знаменательно, что для всех трех групп наиболее предпочтительным оказался режим оптимального полива. Во всех группах выявлены образцы с высокой семенной продуктивностью. Самыми продуктивными оказались толерантные к засухе образцы в обоих режимах. Полученные результаты позволяют сформировать пул генетических ресурсов гуара для адресной интродукции в соответствующие агроклиматические условия нашей страны, а также для селекции сортов, адаптированных к разным режимам водоснабжения. Средние показатели всхожести семян свежей репродукции (2023 г.) и искусственно состаренных с растений, выращенных на поливе/засухе значимо не отличались. Физиологический скрининг выявил, что устьичная проводимость на поливе выше, чем на засухе, с максимальными значениями в группе засухотолерантных образцов. Содержание хлорофилла во всех трех группах в целом было выше на засухе, чем на поливе. По активности фотосистемы II отличия между средними значениями образцов в каждом режиме выращивания были незначительными. Содержание камеди в семенах и ее приведенная удельная вязкость проявили определенную изменчивость. Отношение камеди к массе семени колебалась от 19,8 до 27,8%. Удельная вязкость – от 7448 до 16842 ед. Выявлены образцы с максимальными значениями обоих признаков. Корреляция условий культивирования с уровнем накопления и свойствами камеди семян гуара практически отсутствует. Не найдено связей изученных параметров и со статусом образцов по отношению к засухе. Анализ транскриптомной сборки с использованием программы BUSCO засвидетельствовал достаточный уровень качества полученного референса для анализа. Метод главных компонент выявил, что чувствительный к засухе генотип практически не демонстрирует какие-либо изменения в экспрессии генов в ответ на засуху, в то время как устойчивый и нейтральный показывают схожий по направлению относительно осей ответ с небольшим смещением. При сравнении уровней экспрессии генов для нейтрального генотипа при засухе против полива выявлены значимые различия для 184 генов. Экспрессия 105 из них повышена при засухе по сравнению с поливом, в то время как для 79 генов уровень экспрессии снижается. Среди группы с повышенной экспрессией при засухе для 63 генов известна их функция в результате аннотации, основанной на гомологии. Ряд дифференциально экспрессирующихся генов (ДЭГ) с повышенной экспрессией могут обусловливать нейтральную реакцию данного генотипа на засуху. Три гена, кодируют белки из семейства 7S глобулинов, 6 генов кодируют белки, участвующие в формировании так называемых липидных капель, связанных с различными стрессовыми реакциями, в частности, на засуху. При сравнении нейтрального и толерантного генотипов каждому ДЭГ было присвоено функциональное описание из базы данных Mercator и все гены, участвующие в реакции на засуху у этих генотипов, были распределены по функциональным группам. Возможно также, что группы генов, функционально ассоциированные с белковым гомеостазом, MFS транспортёрами, CPA транспортёрами и цистеин-богатыми сигнальными пептидами, тоже потенциально могут быть связаны с реакцией растения на засуху и регулировать отношение к ней. Анализ еще целого ряда ДЭГ позволил предположить, что повышенную толерантость и нейтральную реакцию на засуху обеспечивает изменение регуляции ряда биологических процессов и изменение в экспрессии генов, описанных выше, а чувствительность к засухе может определяться отсутствием изменения в работе этих же генов при засухе. Анализ профилей метаболитов выявил около 300 соединений, 73 из них были идентифицированы по совпадению масс-спектров и индексов удерживания с библиотечными записями, а еще для ~150 аннотирован химический класс. Наиболее многочисленными в полученных профилях были сахара и их производные, а также сложные молекулы, включающие их остатки. Метаболиты формируют сложный паттерн накопления в зависимости от отношения генотипов к засухе. В случае чувствительного генотипа различия не были четкими, группы перекрывались, но не сильно. Наименьшие различия между профилями растений в условиях засухи и полива показал нейтральный вариант. Часть полученных триптических пептидов пробно проанализирована методами скорострельной протеомики с применением системы наноВЭЖХ Bruker nanoElute, совмещённой с масс-спектрометром Bruker timsTOF Pro (система ESI-TIMS-TOF, тандемная масс-спектрометрия с измерением ионной подвижности компонентов в режиме PASEF). Получены MS и MS/MS спектры, полная расшифровка которых планируется в дальнейшем. Все инокулированные штаммом ризобий образцы гуара на поливе формировали на корнях азотфиксирующие клубеньки и в разной, иногда в не явной степени на корнях растений, выращенных на засухе. Число и биомасса клубеньков, а также длина и масса растений варьировали у исследованных генотипов. Число клубеньков на поливе в среднем было в 1,5 раза больше, а масса корней с клубеньками в 1,5-2 раза больше, чем на засухе. Параметры, определяющие эффективность азотфиксации (нитрогеназная активность и удельная нитрогеназная активность) также были выше на поливе, чем на засухе. Средние значения признаков свидетельствуют, что толерантные образцы по многим параметрам показывают лучший результат на засухе, а неустойчивые образцы – наоборот, на поливе. Выявлено присутствие колоний грибов арбускулярной микоризы (АМ) в корнях всех образцов гуара. То есть, как и в 2023 г., произошла микоризация корней гуара местными формами микоризных грибов как в режиме полива, так и засухи. При этом у нейтрального к водоснабжению образца все параметры за исключением везикуляции были практически одинаковы в обоих режимах. Частота микоризной инфекции и другие ее характеристики в режиме засухи у толерантного образца были значительно выше. Сконструированы праймеры к гену СtMt1, ассоциированному с устойчивостью к засухе, для дальнейшего ресеквенирования. Проведены ПЦР и электрофоретический анализ ее продуктов. По результатам амплификации с парой праймеров CtMT1-c-F-R к гену CtMT1 наличие ПЦР-фрагмента наблюдали у всех образцов гуара. Полагаем, что маркер CTMT1-c-F-R является эффективным и может быть использован для раскрытия потенциала CtMT1 в селекционных программах по созданию засухоустойчивых сортов гуара. https://www.vir.nw.ru/proekty-i-programmy/#1702293047529-b5f4334c-32f2

Публикации