Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Основной целью проекта было изучение субгеномного состава диплоидных и полиплоидных видов, представляющих все секции рода Hordeum, представленных во флоре России. Другой целью были предварительные исследования внутригеномной изменчивости последовательностей ITS видов, представляющих разные секции родов Roegneria (Elymus), Pseudoroegneria, Leymus, Psathyrostachys, с целью выявления субгеномов, происходящих от видов рода Hordeum. Образцы для исследования были собраны нами во время экспедиций на Алтай и в Архангельскую область, а также получены из генетической коллекции Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР). Для выявления субгеномного состава геномов видов рода Hordeum мы провели секвенирование ITS1-спектра генов 35S рРНК с использованием метода локус-специфичного секвенирования NGS на платформе Illumina. Изучен субгеномный состав диплоидных и полиплоидных видов рода Hordeum L. В частности: подрод Critesion, секция Stenostachys представлена диплоидами H. nevskianum Bowden (2n=14), H. violaceum Boiss. et Hohen, H. roshevitzii Bowden, тетраплоидами H. brevisubulatum (Trin.) Link (2n=28), H. macilentum Steud., H. turkestanicum Nevski; секция Critesion - диплоидом H. roshevitzii Bowden (2n=14), тетраплоидом. Hordeastrum, секция Marina представлена тетраплоидом H. geniculatum All. (2n=28), секция Trichostachys - диплоидами H. murinum L. (2n=14), H. leporinum Link, H. glaucum Steud; Подрод Hordeum, секция Bulbohordeum – тетраплоидом H. bulbosum L. (2n=28), секция Hordeum – диплоидами H. vulgare L. (2n=14), H. spontaneum C.Koch. Таким образом, в работе изучены все три подрода и 5 из 6 секций рода Hordeum флоры РФ, все секции аборигенной флоры РФ (Цвелёв, Пробатова, 2029). Шестая секция – Pusilla представлена во флоре РФ только редким чужеродным американским видом Hordeum pusillum, найденным флористами Удмуртии (Баранова и др., 1992). Найти пригодный для исследования материал этого вида нам не удалось. В работе также были задействованы виды рода Hordeum, не представленные во флоре Российской Федерации, но важные для правильного понимания системы рода (Hordeum marinum, Hordeum hrasdanicum). Учитывая широкое распространение межродовой гибридизации в трибе HORDEEAE (син. Triticeae), нами был проведен скрининг геномов некоторых других родов, близких к Hordeum, с использованием локус-специфичного NGS-секвенирования на наличие в их геномах рДНК, полученных их предками в результате межвидовой гибридизации с Hordeum. Всего субгеномный состав был изучен у 55 образцов, относящихся к видам, подвидам, родам Hordeum, Agropyron, Leymus, Elytrigia (секции Pseudoroegneria и Elytrigia), Elymus, Psathyrostachys. При изучении процессов фракционирования генома неогибридов и вторичной диплоидизации изучался внутригеномный полиморфизм риботипов и его изменчивость у межвидовых интрогрессивных гибридов Avena macrostachya x A. sativa. Секвенированные последовательности представляли собой риботипы во всем пуле геномной рДНК, которые были отфильтрованы по частотам. Затем они были проанализированы с помощью статистической сети парсимонии (программное обеспечение TCS, версия 1.21) и визуализированы с помощью программы TCSBU. Пороговое значение для данного анализа составило 10 прочтений на весь пул генома. На основании анализа паттернов риботипов можно сделать вывод, что специфической характеристикой «хорошего» вида и рода является не конкретная последовательность ДНК-штрихкода (в нашем случае ITS1), а набор (паттерн) риботипов (ZOTU), характерных для вида и рода. Риботипы можно условно разделить на основные (5% и более от общего числа выявленных вариантов риботипов в геноме) и второстепенные (менее 5%). У изученных видов и родов злаков трибы Hordeeaey рисунок основных риботипов, как правило, таксон-специфичен. Отклонения от правила в известных нам случаях были связаны с неправильной атрибуцией образца или с образцами, морфология которых ставит под сомнение их видовую принадлежность. Среди изученных нами видов образец, идентифицированный как Elytrigia loliodes, имел рисунок, наиболее отклоняющийся от «нормы» для рода Elytrigia; 45% его рДНК произошло от растений рода Agropyron. Это либо межродовой гибрид 1-го поколения, морфологически сходный с Elytrigia loliodes, либо нотовид — необходимо изучение других образцов из разных популяций этого вида. Изучение состава риботипов видов рода Hordeum подтвердило предположения ботаников о том, что единицами эволюционного процесса у растений являются не только виды, но и длительно сосуществующие популяции нескольких разных видов, более или менее регулярно скрещивающихся между собой, вплоть до сложных сингамеонов, объединяющих все виды небольшого рода или даже виды разных родов (Камелин, 2009). Нами показано, что алтайские и беломорские выборки гексаплоидного вида Elytrigia repens наряду с рДНК субгеномов St содержат последовательности рДНК, полученные от рода Hordeum, и, следовательно, если следовать геномной концепции рода, их следует отнести к роду Elymus. Однако таксономический статус этих растений из алтайских и беломорских популяций требует обсуждения — нами показано, что их H-субгеном имеет разное происхождение: у алтайских образцов Elymus repens (син. Elytrigia repens) H-субгеном произошел от вида, близкого к западносибирскому Hordeum nevskianum, а происхождение беломорских образцов E. repens иное — их H-субгеном получен от кавказского вида H. violaceum. Наиболее сложный рисунок генов рРНК обнаружен у Elytrigia borealis — в его геноме присутствует рДНК, полученная от Pseudoroegneria, Leymus, Psathyrostachys и Agropyron.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Написана и опубликована статья об особых генетических механизмах видообразования и прогрессивной эволюции у цветковых растений. Эти механизмы связаны с межвидовой гибридизацией и полиплоидией. Возможны три пути преобразований гибридного генома, так или иначе связанного с видообразованием у растений: 1). Интрогрессия – геном гибридной линии стабилизируется посредством возвратных скрещиваний с родительскими видами без полиплоидизации. 2). Полиплоидизация генома – гибридный геном переходит в стабильное состояние с сохранением удвоенных наборов хромосом родительских видов. Его можно назвать “хорошим” (эу-) полиплоидом. В состоянии эуполиплоида находится большинство геномов/кариотипов многочисленных полиплоидных видов растений. Это быстрый и эффективный путь видообразования, но видообразования на уже освоенном уровне эволюционной сложности. 3) Дисплоидия и вторичная диплоидизация генома –в гибридном и полиплоидном геноме и кариотипе идут интенсивные геномные перестройки. Значительная часть дуплицированных копий псевдогенизируется или делецируется. Число хромосом в гаплоидном геноме у такого вида радикально уменьшается, часто до уровня близкого к первично диплоидным числам хромосом x. У разных особей вида, вставшего на путь стохастического “фракционирования” генома и дисплоидии, сохраняются разные наборы уникальных и мультиплицированных в ходе WGD протеин-кодирующих генов, транспозонов, коротких интерферирующих и длинных некодирующих РНК – радикально возрастает внутривидовой геномный и эпигенетический полиморфизм, что дает богатый материал для естественного отбора. Диплоидизация геномов и кариотипов делает доступными для тестирования естественным отбором комбинации аллелей генов и неогенов, ранее, в полиплоидном состоянии, забуференных. Массовые потери генов при фракционировании генома самым неожиданным образом могут сказаться на фенотипе, принимающем часто неотенические формы. Некоторые неотенические морфотипы с диплоидизированными и редуцированными при фракционировании постполиплоидными геномами, “ hopeful monsters”, обладают такой оригинальной комбинацией генных семейств и морфологических признаков, которая дает их носителям шанс стать основателем нового крупного таксона, трибы, семейства, класса. Исследование методами биоинформатики внутригеномного полиморфизма цистронов 35S rRNA в полностью секвенированных геномах злаков показало, что рабочие копии цистронов не формируют единый кластер, а разделены дефектными копиями генов 5.8S rRNA. При этом наибольшая плотность таких «дефектных» копий наблюдается на периферии кластера генов 35S rRNA (с одной из сторон кластера). Показано неслучайное распределение внутригеномных вариантов ITS1 по NOR, расположенным на разных хромосомах. Предполагается, что гомогенизация рибосомных цистронов у злаков на различных хромосомах в пределах субгеногеномов протекает предпочтительно в пределах своего NOR, но не вполне изолировано: идентичные копии ITS найдены в разных NOR одного субгенома. Сравнение скорости эволюции внутренних транскрибируемых спейсеров (ITS1 и ITS2) у злаков показало, что медианная разница между вариабельностью двух популярных ДНК-штрихкодов ITS1 и ITS2 у злаков составляет всего 0.1%, что позволяет говорить о сходных темпах эволюции этих генетических структур у Овсовых. Появление новых технологий секвенирования, таких как NGS и геномного скимминга породило новые направления, получившие названия “extended DNA barcode” и “mega-barcoding” (Hollingsworth et al., 2016; Kress, 2017). В основе этих подходов лежит предположение, что ДНК-штрихкодирование растений нужно проводить путем одновременного анализа многих разных генов в геноме. Развиваемый нами подход принципиально иной. Он строится на особенностях организации геномов растений. Исследованиями последнего времени показано, что предки всех современных цветковых растения прошли через акт или акты межвидовой гибридизации и полиплоидизации и вторичной диплоидизации. Кроме того, от 15 до 50% видов – это относительно недавно возникшие виды с полиплоидным геномом. Отсюда следует, что что индикатором вида является не конкретная маркерная последовательность ДНК (ДНК-штрихкод), а сочетание ДНК-штрихкодов, полученных растением от его относительно недавних предков. Мы показали, что исследование внутригеномного полиморфизма рДНК на платформе Illumina позволяет выявить в геномах растений последовательности ITS недавних и, иногда, отдаленных предков исследуемого вида. Новое или необычное сочетание вариантов рДНК показывает, что геном исследуемого образца относится к иному виду или новому гибриду. Этот подход позволяет эффективно дифференцировать близкие по морфологии виды, выявлять неверно определенные растения и верифицировать гипотезы о происхождении полиплоидов и гомоплоидов как в природных популяциях, так и среди сортов-культиваров сельскохозяйственных культур.