Гены живучести пшеницы и сои нашли российские ученые
Гены живучести пшеницы и сои, найденные российскими учеными позволяют вырастить устойчивые к погодным изменениям сорта. Данные гены обнаружили ученые Института цитологии и генетики СО РАН. По их мнению, это в корне поменяет подход селекционеров к созданию новых сортов.
Результаты опубликованы в Frontiers in Plant Science.
Пшеница в цифрах
По данным Росстата, в 2023 году Россия собрала 92,8 млн тонн пшеницы и более 6,5 млн тонн сои. Несмотря на большие объемы, агропром нуждается в зерновых и зернобобовых культурах с более высокой урожайностью. Особый интерес в последние годы вызывает соя, которую используют не только для кормов, но и в продуктах питания. От конфет до пищевых добавок.
Новосибирская команда генетиков, биоинформатиков и селекционеров провела обширный генетический анализ 175 сортов сои и 133 сортов яровой мягкой (хлебной) пшеницы, которую исследовали на протяжении четырех лет в рамках гранта РНФ. В результате поиска по более чем 20000 участкам генома были обнаружены ДНК-маркеры, отвечающие за содержание белка, время цветения, налива зерна и созревания.
«Новые линии сои и пшеницы должны обладать повышенным содержанием белка и коротким сроком созревания в Западной Сибири, расти независимо от погоды и быть удобными для машинной уборки»
— отметила руководитель отдела молекулярной генетики растений Института цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук (ИЦиГ СО РАН) Елена Салина.
По ее словам, сроки созревания имеют для России особое значение, так как для разных регионов характерны разные вегетационные периоды.
«В настоящее время есть запрос на создание скороспелых линий сои. Поскольку культура активно продвигается и выращивается в сибирском регионе. В этих условиях нужно уметь манипулировать адаптивностью растения к холодам и более коротким летним периодам»
— добавила ученая.
При этом она подчеркнула, что генетические технологии позволяют выделить гены, участвующие в данном процессе. Разработать маркеры и использовать их в конкретных селекционных целях.
Отличие селекции от генетических технологий
Чем же отличается классическая селекция от генетических технологий в сельском хозяйстве? Профессор пояснила, что «селекция – это тоже определенная манипуляция генами, но поведение этих генов селекционер фиксирует лишь по внешним признакам. Например, по наличию устойчивости к различным заболеваниям, а генетические инструменты позволяют оценить растение изнутри». «Если доказано, что определенный молекулярный маркер связан с проявлением того или иного признака, это может служить дополнительным инструментом для селекционера при отборе нужной линии», — добавила она.
Генетик подчеркнула, что «имея в руках генетические инструменты, мы становимся более мобильными и маневренными. Можем работать на опережение, подстраиваться под климатические изменения и новые заболевания растений«.
В качестве показательного примера профессор рассказала о существенных потерях урожая пшеницы в Западной Сибири в этом году. Напомним, что в начале сентября в связи с продолжающими дождями в Новосибирской области был введен режим ЧС. Министр сельского хозяйства Андрей Шинделов подчеркнул, что «темпы уборки урожая очень низкие, комбайны вязнут в грязи».
«Сибирь буквально заливало дождями. И из-за влажной погоды мягкая пшеница полегла — произошло прорастание зерна на корню», — отметила она. Добавив, что с помощью генетических маркеров можно будет вывести сорт с определенным комплексом генов, которые позволят при таких погодных условиях давать стабильно высокий урожай.
Так, по словам специалистов, для признака предуборочного прорастания зерна на корню они выявили шесть высоко значимых маркеров в хромосомах 1B, 1D, 4A, 6B, 7B и 7D, эффективность которых в настоящее время проверяется на различных линиях и сортах пшеницы.
По оценкам ученых, метод геномной селекции обладает высокой предсказательной способностью. А также позволяет отбирать сорта на самом раннем этапе. В ближайшее время научная группа планирует с привлечением компьютерного моделирования создать первую опытную партию пшеницы и сои с заданными свойствами. Гены живучести пшеницы и сои будут смоделированы в самое ближайщее время.
Геномная селекция и ее возможности
Для селекционеров расшифровка генетического кода пшеницы представляет огромный интерес. Гибридный геном пшеницы относится к разряду особенно сложных для анализа и расшифровки. Он превышает по длине ДНК человека в 5 раз. Состоит из 96 000 генов. ДНК пшеницы исторически формировался на протяжении 8000 лет из трех тесно взаимосвязанных геномов диких трав «Прародителей», и состоит из группы хромосомных наборов – A, B, D.
Придание пшенице новых ценных свойств путем введения индивидуальных генов в ее геном от неродственных видов — блестящая перспектива генной инженерии. Имеющиеся сейчас в арсенале исследователей цитогенетические методы позволяют вовлекать в цитогенетические манипуляции пока только близких или отдаленных сородичей пшеницы, подвергая перестройке высшие звенья ее генома – субгеномы и хромосомы.
Недавние технологические достижения в области полногеномного секвенирования и его приложения в селекции помогли выявить генетические вариации различных признаков пшеницы. Это позволило ускорить традиционные стратегии селекции, применив знания о геноме растения. Наиболее перспективными методами, способными ускорить процесс отбора, ученые называют маркерную и геномную селекцию. Для этого ученым необходимо:
- Секвенировать геном и осуществить сборку высокого качества для надежного выявления новых вариаций.
- Изучать ассоциации ген-признак на основе полученной последовательности.
- Идентифицировать функции конкретных генов.
- Внедрять полученные данные в селекцию.
Методы геномной селекции
Одним из активно внедряемых методов селекции стал отбор при помощи маркеров (MAS, marker assisted selection). Системы молекулярных маркеров, доступных для программ селекции пшеницы стали развиваться с 1990-х. При помощи молекулярной селекции для пшеницы удалось зарегистрировать 157 функциональных маркеров. Для более чем 100 локусов, связанных с адаптивностью, урожайностью зерна, устойчивостью к болезням и абиотическим стрессам.
Другими широко используемыми методами стали картирование локусов количественных признаков (QTL, quantitative trait loci). И массовый сегрегационный анализ (BSA, bulked segregant analysis). Построение высококачественных карт генетических связей — основа для точной идентификации геномных регионов и маркеров, связанных с целевыми признаками. Гаплотипы у предков и диких родственников сельскохозяйственных культур содержат широкий диапазон генетических вариаций. А идентификация гаплотипов с меньшим количеством вредных аллелей и улучшенными фенотипами может ускорить генетический прогресс в улучшении сельскохозяйственных культур.
Несмотря на то, что MAS, QTL-картирование и GWAS уже широко применяются в программах селекции, точность методов все еще ограничена особенностью оборудования и методик.
Лабораторное оборудование для анализа пшеницы
Для качественной оценки зерна компания ERKAYA поставляет все необходимое оборудование: