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

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 23-76-00005

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

Руководитель Лоскутов 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

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

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

Ключевые слова Овес, 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)

4. В. С. Попов, Т. В. Шеленга, О. Н. Ковалева, В. И. Хорева Методические аспекты использования БИК-спектрометрии для определения биохимических показателей зерна ячменя Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции., Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2024;185(1):109-117. DOI: 10.30901/2227-8834-2024-1-109-117 (год публикации - 2024)
DOI: 10.30901/2227-8834-2024-1-109-117

5. К.А. Лукина, В.И. Хорева, О.Н. Ковалева ГОЛОЗЕРНЫЙ ЯЧМЕНЬ КАК ИСТОЧНИК ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ СОРТОВ С ВЫСОКИМ КАЧЕСТВОМ ЗЕРНА Тезисы Международной 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). 2024, 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, 5–9 ноября 2024 г. – Санкт-Петербург: ВИР, 2024. (год публикации - 2024)
10.30901/978-5-907780-13-2

6. К.А. Лукина, Р.А. Абдуллаев, Н.В. Алпатьева, И.Г. Лоскутов, О.Н. Ковалева Разнообразие голозерных образцов ячменя из коллекции ВИР по устойчивости к мучнистой росе в условиях Северо-Западного региона Российской Федерации Экологическая генетика, Лукина К.А., Абдуллаев Р.А., Алпатьева Н.В., Лоскутов И.Г., Ковалева О.Н. Разнообразие голозерных образцов ячменя из коллекции ВИР по устой- чивости к мучнистой росе в условиях Северо-Западного региона Российской Федерации // Экологическая генетика. 2024. Т. 22. № 3. С. 243–253. DOI: https://doi.org/10.17816/ecogen634379 (год публикации - 2024)
DOI: https://doi.org/10.17816/ecogen634379

7. Н. А. Швачко, Т. В. Семилет*, В. С. Попов, Е. В. Блинова, И. Г. Лоскутов Изучение полиморфизма гена Cslf6, ассоциированного с биосинтезом β-D-глюканов у образцов диплоидного овса Avena strigosa Schreb. коллекции ВИР Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции, Швачко Н. А., Семилет Т. В., Попов В. С., Блинова Е. В., Лоскутов И.Г. Выявление аллельного состояния гена Cslf6, ассоциированного с биосинтезом β-D-глюканов у образцов диплоидного овса Avena strigosa Schreb. коллекции ВИР. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2025;186(1): (год публикации - 2025)

8. Kusakin A.V.1, Rodionov A.V.2, Loskutov I.G.1 EVALUATION OF SELECTION DIRECTION IN PLASTID GENES OF SOME REPRESENTATIVES OF THE POOIDEAE SUBFAMILY Proceedings of the «In-ternational conference on plant biology and biotechnology (ICPBB 2024) », Proceedings of the «In-ternational conference on plant biology and biotechnology (ICPBB 2024) », June 3-6, 2024 - Almaty, Kazakhstan, 203. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Проведение полевого изучения 200 образцов ярового ячменя и 50 образцов песчаного овса в условиях Пушкинских лабораторий ВИР и 200 образцов овса посевного в условиях Тюменского НЦ СО РАН различного эколого-географического происхождения, включающих местные, староместные и современные сорта и селекционные линии пленчатого и голозерного ячменя о вса показали большое внутривидовое разнообразие по изучаемым признакам. По всем изученным образцам за два года (2023-2024 гг.) изучения в контрастных погодных условиях выделены источники по отдельным хозяйственно ценным признакам и с их комплексом и созданы базы данных по изучению образцов для передачи для включения в GWAS анализ. В результате изучения выделены интересные источники с хорошей адаптивностью, имеющие повышенную урожайность два года подряд, также источники с высокой озерненностью колоса и метелки, обладающие крупным зерном. С помощью молекулярного скрининга идентифицирован аллель mlo11 у всех устойчивых к патогену пленчатых сортов ячменя. Носителями данного аллеля среди голозерных ячменей являются 5 гетерогенных и один слабо поражающийся в лаборатории образец. Все выделившиеся источники mlo11 имеют в своих родословных образцы ячменя из Эфиопии. 2. Отчет представлен в разделе о деятельности Объекта Инфроструктуры (ОИ) 3. Проведение в 2023 и 2024 гг. биохимического анализа образцов овса и ячменя голозерных и пленчатых форм на содержание белка, масла, крахмала, бета-глюканов, антиоксидантов, суммы фенольных веществ показало большое разнообразие по всем изученным показателям. Изучение показало, что в 2024 г. по сравнению с 2023 г. в образцах овса песчаного выявлено больше белка, но меньше масла, крахмала и бета-глюканов. Выделены источники посевного овса высокого содержания белка (выше 20%), масла (выше 6,5%), крахмала (выше 60%), бета-глюканов (выше 4,0%), фенольных веществ (выше 130,0 мг%) и антиоксидантов (выше 18,0 мг%) по комплексу показателей. Доминирующими ненасыщенными жирными кислотами были олеиновая и линолевая кислоты, насыщенными – пальмитиновая кислота. Сумма ненасыщенных жирных кислот была значительно больше насыщенных. Биохимическое изучение ячменя показало большое разнообразие по годам изучения. В результае изучения выделены источники высокого содержания белка (выше 20%), масла (выше 2,7%), крахмала (выше 60%), бета-глюканов (выше 6,0%), фенольных веществ (выше 195 мг%): антиоксидантов (выше 27,0 мг%). Жирнокислотный профиль ячменя также насчитывал четыре доминирующих жирные кислоты. Сумма насыщенных кислот увеличилась до 20,32%, сумма ненасыщенных уменьшилась до 79,68%, что привело к изменению соотношения насыщенных и ненасыщенных кислот на 3,93%, по сравнению с прошлым годом. Определено, что год репродукции оказывает существенное влияние на качественные показатели масла зерновок A. strigosa, плёнчатых и голозерных форм H. vulgare и A. sativa. Для проведения данного анализа были разработаны градуировочные модели для БИК-анализатора MATRIX-I фирмы Bruker (Германия) по определению белка, крахмала, масла, бета-глюканов в цельных зернах овса песчаного. Показано, что модели для определения белка, крахмала и масла являлись достоверными, а модель по определению бета-глюканов нуждается в доработке. 4. За отчетный период в рамках проекта осуществлялось проращивание на световых установках и выделение тотальной ДНК из 192 образцов Hordeum vulgare. Выделенный генетический материал из образцов ячменя коллекции ВИР отличался высоким качеством, отсутствием загрязнений и в дальнейшем был отправлен на генотипирование в Курчатовский НИЦ. 5. Полученные препараты ДНК были аликвотированы, отобрано 192 образца. Выполнена проверка качества ДНК электрофоретическим и спектрофотометрическим методами. Данные образцы были отправлены на генотипирование в Курчатовский НИЦ. Генотипирование в Курчатовском НИЦ выполнялось при помощи секвенирования (GBS). Необработанные данные секвенирования были отфильтрованы по качеству и использованы для обнаружения полиморфизмов с помощью программного обеспечения Bowtie2 v.2.3.5.1. В качестве референсного генома для образцов овса брали геном Avena sativa (GCA_000004515.5 сорт Williams), а для поиска вариабельных локусов использовали программы gstack. 6. Для выявления геномных локусов, связанных с признаками продуктивности овса, проводился GWAS, целью изучения которого является поиск маркеров, ассоциируемых с хозяйственно-значимыми признаками. Для выполнения полногеномного анализа ассоциаций необходимо иметь данные генотипирования и фенотипирования выборки образцов. Фенотипирование образцов овса выполнено в полевых условиях Тюменского АНЦ по показателям полевой и лабораторной оценки и по следующим биохимическим показателям: «Содержание β-глюканов», «Содержание крахмала», «Содержание белка», «Содержание масла», «Содержание антиоксидантов», «Содержание фенолов». По каждому из выше перечисленных показателей выполнен GWAS и поиск значимых маркеров. Для применения GWAS использовали следующие модели: Обобщенная линейная модель (GLM) и Смешанная линейная модель с учетом матрицы родства (MLM). Для каждой модели построены графики QQ plot и Manhattan plot. В случае применения модели GLM выявлены значимые маркеры по следующим показателям: «Содержание антиоксидантов» - 1 маркер; «Содержание масла» - 6 маркеров, большое количество значимых маркеров (137) выявлено для признака «Содержание фенолов». В случае применения модели MLM значимые маркеры выявлены только для признака «Содержание фенолов» − 83 маркера, для других исследуемых признаков значимых маркеров выявлено не было. 7. Одно из семейств генов, ассоциированных с биосинтезом растворимых полисахаридов − целлюлозо-синтаза-подобные гены Csl (Cellulose synthase-like). При проведении In silico анализа осуществлялось изучение структуры гена CslF6 и конструирование праймеров к кодирующей части. В качестве референсной для гена CslF6 использовалась последовательность, аннотированная в базе данных NCBI под номером MN53302.1. «Avena strigosa cultivar PI 131641 cellulose synthase-like F6 (CslF6) gene, CslF6-A Genome allele, complete cds.». При выравнивании на референсный геном A. strigosa (NCBI GeneBank: PI 131641) и анализе полученных данных в программе UGENE не было обнаружено геномных перестроек в кодирующей части гена CslF6. Таким образом можно предположить, что изменение содержания β-глюканов связано с геномными перестройками других генов семейства Csl, которые на данный момент остаются не аннотированными Ссылка на Проект РНФ № 23-76-00005 https://www.vir.nw.ru/proekty-i-programmy/#1702292692768-c2c9cc0d-4b65

Публикации