Исследование путей происхождения и родственных взаимоотношений хозяйственно ценных таксонов злаков (Poaceae) методом секвенирования следующего поколения (NGS)

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 25-24-00349

НазваниеИсследование путей происхождения и родственных взаимоотношений хозяйственно ценных таксонов злаков (Poaceae) методом секвенирования следующего поколения (NGS)

Руководитель Гнутиков Александр Александрович

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

Конкурс №102 - Конкурс 2025 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, полиплоидия, рДНК, филогения, ITS, NGS

Код ГРНТИ34.15.59

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
Объектами нашего исследования являются представители хозяйственно ценных родов злаков. Из трибы Пшеницевые – Triticeae мы возьмем в исследование гибридные роды, как искусственного, так и природного происхождения: ×Agrotrigia, ×Leymotrigia, ×Leymostachys, ×Trititrigia, ×Triticosecale. Первые три из приведенных родов – природные межродовые гибриды, распространенные на современных территориях гибридизационного видообразования (горные регионы Сибири и Дальнего Востока, а также южные регионы России: Крым и Кавказ). Роды ×Trititrigia и ×Triticosecale (=×Triticale) – экспериментально полученные гибриды, культивируемые на опытных площадках Европейской части России, используются как кормовые культуры и резерв генетической изменчивости при создании новых культиваров хлебных злаков. Кроме гибридных родов из трибы Triticeae мы исследуем роды Poa, Koeleria, Trisetum, Phragmites, Crypsis, Aeluropus. Первый из них – это самый большой род в семействе Poaceae, насчитывающий по последним данным около 600 видов в мировой флоре (Цвелев, Пробатова, 2019). Он принадлежит к наиболее ценным кормовым травам, его виды являются донорами для пастбищных культур и популярных газонных травосмесей. Мятлик – один из самых сложных в таксономическом отношении родов злаков, в связи с чем работ, посвященных систематики и филогении рода на территории России, очень мало. Виды рода Poa характеризуются широким спектром кариологических рас (хромосомных чисел), от диплоидов с 2n=14 до высоких полиплоидов (2n=96–98), распространенных в районах Российской Арктики. Род представлен 15 секциями, в ряде случаев с размытыми границами из-за развитой интрогрессивной гибридизации, в том числе межсекционной. Изучение европейских представителей рода Мятлик показало, что виды типовой секции в действительности могли произойти от гибридизации видов из четырех разных секций (Patterson et al., 2005). Наша задача – прояснить межсекционные границы с помощью молекулярно-филогенетического анализа сиквенсов, в том числе полученных методом NGS, на примере российских видов Poa из современных центров видообразования злаков – Кавказа, Алтая и Дальнего Востока. Целый ряд эндемичных для нашей страны мятликов принадлежит к предположительно гибридогенным секциям и вдобавок подвержен интрогрессивной гибридизации. Роды Koeleria и Trisetum – хорошие пастбищные кормовые культуры, некоторые из них также используются в качестве газонных трав. В таксономическом отношении они входят в очень сложную подтрибу Koeleriinae, границы видов и даже родов в которой зависит от вклада разных геномов в аллополиплоидный пул (Gnutikov et al., 2022). Следует отметить, что секционное деление в этих родах неоднозначно и запутанно (Barbera et al., 2019; Tkach et al., 2020); при этом именно в России произрастают виды из секций, не представленных в Европе и США. Наши исследования, несомненно, внесут вклад в современное разделение родов Koeleria и Trisetum, прояснят филогенетическое положение видов – дикорастущих родичей культурных растений. Тростник (Phragmites) – один из достаточно древних в эволюционном отношении злаков, стоящий у истоков эволюции группы арундиноидных и паникоидных (Soreng et al., 2015). В недавнем прошлом этот род считался олиготипным (Hansen et al., 2007; Fer, Hroudova, 2009), но недавние исследования показали, что тростник насчитывает около 20 видов, распространенных почти во всех внеарктических странах обоих полушарий (Цвелев, Пробатова, 2019). В России произрастает 7 видов тростника, но необходимы более глубокие дополнительные исследования. Виды Phragmites – ценные в хозяйственном отношении, используются как строительный материал, сырье в целлюлозно-бумажной промышленности и силос, а также формируют экосистемы водоемов умеренной климатической зоны Земли. Наши исследования позволят провести ревизию видового богатства тростников в России, прояснить картину родства в этом сложном роде, который ранее был изучен лишь в ограниченном масштабе, а также впервые проследить пути гибридизации. Crypsis и Aeluropus – представители подсемейства Chloridoideae из двух триб, Eragrostideae и Aeluropodeae. Они обитают преимущественно в странах Древнего Средиземноморья, в аридном климате. Aeluropus представлен 3 видами в России и 10 видами в мире, Crypsis – 5 видами в России и 10 видами в мире. Все виды этих родов являются хорошими пастбищными кормовыми растениями, устойчивыми к повышенному засолению почв и имеющими большое значение в пустынных и полупустынных районах, особенно на солончаках и солонцах (Цвелев, Пробатова, 2019). Эти роды, близкие по жизненной форме, не были до сих пор подробно исследованы современными молекулярно- филогенетическими методами. Библиография к разделу: Цвелев Н. Н., Пробатова Н. С. Злаки России. М., Товарищество научных изданий КМК, 2019. 646 с. Barberá P., Quintanar A., Aedo C. New combinations, new names, typifications, and a new section, sect. Hispanica, in Koeleria (Poeae, Poaceae). Phytoneuron 2019, 46, 1–13. Fer T., Hroudova Z. Genetic diversity and dispersal of Phragmites australis in a small river system. Aquatic Botany 2009, 90, 165–171. http://doi.org/10.1016/j.aquabot.2008.09.001. Gnutikov A. A., Nosov N. N., Koroleva T. M., Punina E O., Probatova N S., Shneyer V S., Rodionov A. V. Origin of the Rare Hybrid Genus xTrisetokoeleria Tzvelev (Poaceae) According to Molecular Phylogenetic Data. Plants 2022, 11, 3533. https://doi.org/10.3390/plants11243533. Hansen D. L., Lambertini C., Jampeetong A., Brix H. Clone-specific differences in Phragmites australis: Effects of ploidy level and geographic origin. Aquatic Botany 2007, 86, 269–279. Patterson J.P., Larson S.R., Johnson P.G. Genome relationships in polyploid Poa pratensis and other Poa species inferred from phylogenetic analysis of nuclear and chloroplast DNA sequences. Genome 2005, 48, 76 – 87. https://doi.org/10.1139/g04- 102. Soreng R.J., Peterson P.M., Romaschenko K., Davidse G., Judziewicz E.J., Zuloaga F.O., Filgueiras T.S., Morrone O. A worldwide phylogenetic classification of the Poaceae (Gramineae). J. Syst. Evol. 2015, 53, 117–137. http://doi.org/10.1111/jse.12150. Tkach N., Schneider J., Döring E., Wölk A., Hochbach A., Nissen J., Winterfeld G., Meyer S., Gabriel J., Hoffmann M.H., et al. Phylogenetic lineages and the role of hybridization as driving force of evolution in grass supertribe Poodae. Taxon 2020, 69, 234–277. http://doi.org/10.1002/tax.12204.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В трибу Hordeeae входят наиболее ценные в хозяйственном отношении роды злаков. Эта триба отличается наиболее распространенной межродовой гибридизацией, открытой на основании кариосистематического анализа. Мы детально исследовали геномную структуру перспективной сельскохозяйственной культуры – искусственного гибрида ×Trititrigia cziczinii, полученного путем гибридизации Triticum aestivum и Elytrigia intermedia. Были проанализированы как последовательности ядерного и хлоропластного генома, полученные методом Сэнгера, так и сиквенсы участка ITS1, полученные методом NGS. Наиболее представленные риботипы ×Trititrigia cziczinii идентичны самым массовым риботипам Triticum aestivum. Лишь минорная фракция рДНК ×T. cziczinii оказалась общей с главным риботипом E. intermedia, представляющим St-геном (Рис.1). По данным анализа последовательностей, полученных методом Сэнгера, ×T. cziczinii по материнской линии происходит от Triticum aestivum, ITS-последовательности также общие с T. aestivum (Рис.2,3). Но последовательности ETS ядерного генома ×T. cziczinii неожиданно оказались близкими к таковым у E. intermedia. Возможно, это связано со значительной реорганизацией сложного генома искусственного гибрида (Рис.4). Кроме того, мы исследовали филогенетическое положение ряда родительских для ×T. cziczinii таксонов. Анализ ITS-последовательностей, полученных методом Сэнгера, показал различное положение Elytrigia intermedia и Pseudoroegneria stipifolia, что говорит о разнородности St-геномов (Рис.5). Мы также начали исследование гибридного рода ×Agrotrigia, включая предположительно новый для науки вид из Ставропольского края и родственные таксоны Agropyron и Elytrigia. Были выявлены различия в происхождении разных видов р. ×Agrotrigia. Так, типовой экземпляр ×A. hajastanica из Армении и ×A. androssovii из Туркмении содержат последовательности от обоих родительских родов, в отличие от ×Agrotrigia sp. из Ставрополья и ×A. androssovii из Псковской обл., которые несут последовательности только одного из родителей (Рис.6,7). Для ×Agrotrigia sp. (Ставропольский кр.) определено число хромосом 2n = 28 (Рис.8) Trisetum и Koeleria – два очень близких рода злаков трибы Aveneae подтрибы Koeleriinae. В некоторых системах предлагается объединить виды р. Koeleria и виды Trisetum из секции Trisetaera (Barbera et al. 2019). Мы исследовали композицию риботипов (рДНК) ряда видов Koeleria и Trisetum s. l. На основании анализа данных, полученных методом NGS, мы можем сделать вывод об участии видов секций Trisetaera и Agrostidea в интрогрессивной гибридизации с видами K. asiatica, K. polonica, K. altaica. Мы наблюдаем распространенную гибридизацию среди видов р. Koeleria – между видами разных секций и между видами разных групп родства внутри одной секции. Мажорные риботипы (количество прочтений больше 1000) соответствуют разным группам видов внутри рода. Например, главный риботип видов из типовой секции, тяготеющих к меловым обнажениям: европейско-центральноазиатского K. theodoriana, восточноевропейского K. spryginii, кавказского K. luerssenii идентичен главному риботипу полиморфного евросибирского псаммофита K. glauca (sect. Bulbosae). Возможно, секции в роде Koeleria более близкородственны друг другу, чем в других родах трибы (Рис.9). Также на основании молекулярно-филогенетических и морфологических данных мы предлагаем выделить виды Trisetum из секции Trisetaera в отдельный род (Рис.10). Одними из объектов нашего исследования были виды р. Мятлик (Poa), с особым упором на горные, арктические и сибирские виды. Методом NGS впервые была проанализирована картина родства первичного диплоида Poa pseudoabbreviata (секц. Abbreviatae), близкого ему полиплоида P. abbreviata, горных и арктических P. pruinosa и P. alpigena var. colpodea (sect. Poa), P. paucispicula, P. bargusinensis, P. kenteica (sect. Oreinos) (Рис.11,12). Мы обнаружили гибридогенность секции Oreinos, ранее не отмеченную. P. bargusinensis и P. kenteica имеют общие мажорные риботипы и родственны P. glauca (sect. Stenopoa), что совпадает с предыдущими данными молекулярно-филогенетического анализа, помещавшего P. laxa рядом с секцией Stenopoa. Но Poa paucispicula оказывается неродственным другим представителям секции Oreinos, а близок к новозеландским тетраплоидным мятликам. Наши данные говорят о вероятных путях происхождения полиплоидных субантарктических мятликов. Полиплоид P. abbreviata по своей рДНК оказался не родственен диплоидному P. pseudoabbreviata. Но при этом с мажорным риботипом P. abbreviata оказывается идентичным один минорный риботип вивипарного P. alpigena var. colpodea (Рис.13). Это подтверждает прежние выводы о близком родстве секций Abbreviatae и Poa, но мы видим, что вивипарные и невивипарные виды секции Poa могут быть различны по рДНК. То, что каждый из исследованных видов по рДНК образует в основном собственную сеть риботипов, а число общих риботипов невелико, может говорить о достаточно давней гибридизации в роде Poa. Мы установили происхождение четырех культивируемых видов овса (Avena) с помощью анализа полиморфизма маркерных сиквенсов рДНК. Наши данные говорят о близком родстве культивируемого A-геномного Avena strigosa и дикорастущего A-геномного A. hirtula. Также в рДНК A. strigosa есть риботипы, родственные риботипам A. atlantica, который, возможно, принимал участие в эволюции дикорастущих полиплоидов (Gnutikov et al., 2023). Тем не менее, культивируемый A. strigosa в дальнейшем, скорее всего, эволюционировал независимо от дикорастущих форм и культивируемых полиплоидов (Рис.14). Мы подтверждаем гипотезу о происхождении культивируемого тетраплоида A. abyssinica (геном AB) от дикорастущего A. vaviloviana (Рис.15). Скорее всего, гексаплоид A. byzantina (геном ACD) произошел от A. sterilis и эволюционировал независимо от A. sativa (Рис.16). В то же время мы не обнаружили значимых отличий в рДНК A. sativa и A. fatua, что позволяет считать A. sativa, по крайней мере, по рибосомной ДНК, культивируемым дериватом A. fatua, подтверждая более ранние гипотезы.

Публикации

1. Гнутиков А.А., Носов Н.Н., Лоскутов И.Г., Родионов А.В., Шнеер В.С. Participation of wild species genus Avena L. (Poaceae) of different ploidy in the origin of cultivated species according to data on intragenomic polymorphism of the ITS1-5.8S rRNA region Plants, 14, 1550 (год публикации - 2025)
10.3390/plants14101550