Ученые Института цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук в ходе масштабного исследования идентифицировали новые хромосомные регионы мягкой пшеницы, демонстрирующие устойчивую корреляцию с базовыми элементами структуры урожая.
Данные исследования были впервые обнародованы в рамках докладов Пятнадцатой Международной мультиконференции «Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология» (BGRS/SB‑2026), прошедшей в Новосибирске.
Конечной целью реализуемого проекта выступает разработка релевантных молекулярно-генетических маркеров, призванных существенно интенсифицировать и оптимизировать селекционный процесс при выведении высокопродуктивных генотипов данной зерновой культуры.
Фенотипическое проявление продуктивности у мягкой пшеницы относится к категории полигенных качественных признаков, характеризующихся сложной архитектурой и представляющих наибольшую трудность для направленного отбора. Этот параметр детерминируется сопряженным действием разветвленных генетических сетей и одновременно подвержен сильному модифицирующему влиянию факторов окружающей среды, что традиционно обусловливает низкую воспроизводимость результатов локальных полевых экспериментов в альтернативных климатических и экологических зонах.
Для преодоления этого ограничения исследовательский коллектив ИЦиГ СО РАН сфокусировался на поиске и верификации исключительно тех локусов количественных признаков, которые сохраняют стабильную экспрессию и фенотипический эффект вне зависимости от специфики вовлекаемого генетического бэкграунда и варьирования гидротермических коэффициентов в периоды вегетации.
«Наша цель была выявить стабильные локусы, которые воспроизводятся в различных климатических условиях, и подобрать к ним маркеры для селекции сортов с лучшей продуктивностью», – объяснила научный сотрудник ИЦиГ СО РАН, к.б.н. Антонина Киселева.
Методология проведенного исследования базировалась на интеграции нескольких комплементарных генетических подходов. Авторы осуществили картирование локусов количественных признаков (QTL-анализ) на материале двух расщепляющихся популяций, провели полногеномный поиск ассоциаций (GWAS) с привлечением коллекции образцов, охарактеризованных по фенотипическим проявлениям в течение многолетнего вегетационного периода, а также выполнили независимую верификацию полученных данных на валидационной выборке, включающей около трехсот сортов мягкой пшеницы дифференцированного географического происхождения. Применение подобного экспериментального дизайна обеспечило эффективную выбраковку ложноположительных сигналов и позволило локализовать наиболее консервативные хромосомные интервалы. В результате проделанной работы были определены стабильные локусы на хромосомах 2D, 4A, 5A, 5B, 6A, 6B и 7A, детерминирующие такие селекционно ценные параметры, как масса тысячи семян, озерненность колоса и общая масса зерна с одного сложного колоса.
Для детекции и вовлечения наиболее перспективных генетических регионов в практические селекционные программы специалисты ИЦиГ СО РАН сконструировали соответствующие KASP-маркеры. В процессе независимой экспериментальной апробации три разработанных молекулярных маркера подтвердили высокодостоверную и устойчивую корреляцию главным образом с показателем массы тысячи зерен, а также продемонстрировали сопряженность с частными элементами структуры урожая и итоговой зерновой продуктивностью генотипов.
«Мы подтвердили, что как минимум три маркера стабильно ассоциированы с массой тысячи зерен – одним из ключевых признаков продуктивности мягкой пшеницы. Эти маркеры можно использовать в программах маркер‑ассоциированной селекции для отбора перспективных растений уже на ранних этапах работы, сокращая сроки создания новых сортов», – отметила Антонина Киселева.
Результаты проведенного изыскания представляют существенную ценность как для фундаментальной биологии, так и для прикладной агрономии.
В теоретическом аспекте полученные данные значительно расширяют современные представления о полигенной архитектуре признаков продуктивности зерновых культур, эксплицируя хромосомные регионы, которые характеризуются наиболее стабильным вовлечением в процессы генетического контроля элементов структуры урожая при варьировании экологических факторов.
С точки зрения прикладной агронауки, верифицированные KASP-маркеры предоставляют селекционерам эффективный инструментарий для проведения прецизионного маркер-ориентированного отбора, что позволяет минимизировать временные затраты на многолетние полевые испытания и нивелировать модифицирующее влияние гидротермических флуктуаций.
Последующие этапы работы предусматривают проведение расширенной валидации созданных диагностических систем на репрезентативном пуле сортов и линий в дифференцированных эколого-географических градиентах, а также идентификацию и функциональное картирование конкретных кандидатных генов, локализованных в границах выявленных локусов.
Важнейшим методологическим компонентом осуществленного проекта выступило задействование передовых биоинформационных алгоритмов. Исследователями осуществлен комплексный процессинг масштабных массивов генотипической и фенотипической информации, выполнено конструирование рекомбинационных карт, а также реализовано сопряжение результатов QTL-картирования и полногеномного поиска ассоциаций для кросс-верификации финальных данных.
«Недооценить роль биоинформатики в современной генетике растений невозможно: от фенотипирования до поиска генов‑кандидатов мы опираемся на биоинформатические методы. Участие в конференции BGRS/SB‑2026 позволяет сопоставить свой опыт с результатами других групп, получить обратную связь и идеи для дальнейших исследований в области системной биологии и биоинформатики в селекции», – подчеркнула Антонина Киселева.
Пресс-служба Института цитологии и генетики СО РАН.
Источник: Институт цитологии и генетики СО РАН. Фото из архива ИЦиГ СО РАН.
