Научно-учебная лаборатория генетики зерновых культур

Лаборатория создана в рамках выполнения гранта Российского научного фонда № 16-16-10005 Фенотипирование и генотипирование линий синтетической гексаплоидной пшеницы (T. durum x Ae. squarrosa) и выявление генов полезных признаков методом ассоциированного маркирования для повышения устойчивости к абиотическим и биотическим стрессам в условиях России»

Состав лаборатории:

И.о. заведующего лабораторией – Шепелев Сергей Сергеевич
Агроном– Каракоз Иван Иванович
Агроном – Карпова Мария Владимировна
Агроном – Пожерукова Виолетта Евгеньевна

Направления исследований

Теоретические и практические решения вопросов адаптивного и экологического направления в селекции пшеницы, которое основано на концепции усиления генетического контроля способности растений эффективно использовать благоприятные факторы внешней среды и противостоять действию абиотических и биотических стрессов - "генотип доминирует над средой".
Генетическое изучение физиологических процессов, в частности изучение механизмов устойчивости к засухе, защитных реакций на поражение распространенными вредителями и болезнями.
Планирование и организация комплексных научных исследований по разработке и совершенствованию современных методов для селекции сортов зерновых культур.

Результаты исследований

1. Проверка эффектов от использования молекулярных маркеров в селекции озимой пшеницы и проведение селекционных работ по данной культуре.

Поскольку результаты генотипирования 150 линий 2019 года были получены лишь в 2020 году, то сначала был проведен анализ эффектов генов по результатам 2019 года. Средние показатели элементов структуры урожая 2019. Полученные данные свидетельствуют о высокой продуктивности и возможности проведения полноценного анализа эффектов генов на фоне достаточно высокой урожайности озимой пшеницы.

Ввиду того, что скрещивания по озимой пшенице проводились по схеме топ-кросса, причем одни и те же синтетики были скрещены с двумя сортами озимой пшеницы (Безостая и Омская озимая), мы могли рассчитать общую комбинационную способность родителей синтетиков по компонентам урожайности. Линия PANDUR/AE.SQUARROSA(409) имела положительную комбинационную способность по всем 4 признакам (продуктивная кустистость, число зерен с растения, масса зерна с колоса и масса 1000 зерен), а линии UKR-OD 1530.94/AE.SQUARROSA(629), UKR-OD 761.93/AE.SQUARROSA(392) и UKR-OD 1530.94/AE.SQUARROSA(392) имели позитивные значения по трем признакам из четырех. Соответственно, данные линии могут иметь предпочтение при использовании в качестве родителей.

В результате полевых отборов среди линий материала, полученного проектом от скрещивания с озимыми синтетиками, в крайне неблагоприятных условиях 2020 года было отобрано 410 линий из 38 популяций, включая 25 линий из 7 популяций, которые проходили по опыту с валидацией маркеров. Дело в том, что популяции, выбранные для валидации маркеров, имели в качестве родителя слабозимостойкий сорт Безостая-1, в то время как в селекционном плане были получены популяции с лучшими зимостойкими сортами из Сибири, Ростова и Краснодара. Таким образом, в 2020 году по озимой пшенице были подтверждены КАСП маркеры для отбора на признаки продуктивности, был проведен надежный отбор зимостойких линий, проведены скрещивания лучших с лучшими, включая линии синтетической пшеницы и весь отобранный материал высеян осенью для отбора проведения селекционных работ в 2021 году.

2. Проверка эффектов использования молекулярных маркеров в селекции яровой пшеницы.

Средние данные хозяйственно-ценных признаков по набору 150 селекционных линий яровой пшениц. Условия двух лет были достаточно контрастными. В 2019 году было достаточно увлажнения и развитие растений было хорошим – высота достигла 100 см и во второй период вегетации было сильное развитие болезней, особенно бурой и стеблевой ржавчины. Продуктивность делянок превысила 400 г на 1 м2. 2020 год характеризовался сухой и жаркой погодой после получения всходов, что отразилось на высоте растений, они выколосились на 16 дней раньше, чем в 2019 году. Во второй период вегетации преобладала прохладная и дождливая погода, но развитие болезней было менее интенсивным, чем в 2019 году. Урожайность в 2020 году не превысила 300 г на 1 м2.

Сформировалось крупное зерно, и содержание протеина было немного выше 2019 года. Условия двух лет оценки позволили оценить материал в достаточно контрастных условиях.

Для валидации генов мы также использовали данные опыта по корневой системе пшеницы (компонент проекта 3), который был генотипирован теми же маркерам Платформы 1, что и 150 линий яровой пшеницы. Опыт по корневой системе включил 50 образцов, которые в течение двух лет изучались на двух фонах: после парового и зернового предшественников.

Четыре условий оценки (2 года х 2 предшественника) позволили всесторонне изучить данный материал и проверить эффекты генов.

Эффект маркера гена считался подтвержденным если его эффект достоверно проявлялся минимум в двух сорто-опытах в разные годы. В таблицах красным шрифтов выделены эффекты генов, которые подтвердились в трех и более сорто-опытах.

Оказалось, что 17 маркеров генов не подтвердили своих эффектов ни по одной группе признаков и их не имеет смысл использовать в селекционной работе. Причем среди них такие важные гены как RhtB1_SNP, Sr2_ger9_3p, TaPpdDD001, VrnA1_9K0001, TaTGW6_SNP, которые в принципе должны оказывать эффекты на признаки яровой пшеницы, но в наших опытах себя не показали. Самыми «активными» генами оказались: TaMOT1_D1, PinbD1_INS, Rht- D1_SNP, TaDreb_SNP, TGW7A_985, sunKASP_16, Glu_Ax1x2_SNP, Tabas1_391IND, ubw14, Tsn1, 1B1R_6110, VPM_SNP.

Причем данные маркеры не обязательно влияли на те признаки на которые они должны влиять согласно своей функциональной активности. В частности ген TaMOT1_D1 контролирует признак скороспелости “earliness per se”.

Однако в наших опытах повлиял на многие признаки, включая устойчивость к болезням, признаки зерна и урожайность. Тоже самое относится к другим «активным» генам. Этот феномен можно объяснить за счет плейотропного влияния, а также физиологических ассоциаций между признаками. Например ген Rht-D1 снижает высоту растений, а это настолько важный признак, которые меняет архитектонику растения и соответственно многие ассоциированные признаки, включая урожайность и компоненты также меняются.

Естественно, полученные в проекте результаты по эффектам перечисленных выше генов включены в методику маркерной селекции и будут использоваться.

3. Изучение роли корневой системы в адаптации яровой пшеницы к недостатку влаги.

Как представлено выше, условия 2019 и 2020 года были достаточно контрастными, что отразилось в развитии растений, их высоте и урожайности. В 2019 году урожайность в опыте была несколько выше, чем в 2020 году.

Различие между вариантами пар и зерновой предшественник было четко выражено в 2019 году. В 2020 году практической разницы между вариантами не было ввиду того, что поле после зерновых в целом было более плодородным, в сравнении с паром. В таблице также представлены данные за 2017 и 2018 годы, когда данные 50 сортов и линий изучались в рамках питомника ОМОН-ГАИ. В целом, данные 6 независимых опытов позволили провести основательный анализ и определить роль корневой системы в адаптации к меняющимся условиям среды.

Очевидно, что синтетическая пшеницы, особенно образцы из Японии характеризовались более поздним периодом вегетации, более низким числом растений на единицу площади, более крупным зерном и относительно низкой урожайностью. Сорта США также представляли отдельную короткостебельную группу, более скороспелую и менее урожайную в сравнении со стандартами и местными сортами. Показатели корневой системы оценивались в фазу выхода в трубку и в фазе цветения, когда развитие корней практически прекращается.

Всего нами оценивалось 8 основных параметров корней, представленных в две фазы развития. Практически все показатели развития корней увеличивались на 20-40% от выхода в трубку до цветения, за исключением диаметра корней и фрактальности. Корневая система короткостебельных сортов США была наименее развитой по всем показателям. Синтетики из Японии обладали наиболее развитой корневой системой, возможно от части благодаря более редкой плотности стояния растений. Синтетики из Мексики немного уступали и были на уровне сортов и линий ОмГАУ, которые в свою очередь выделялись в сравнении с сортами и линиями КАСИБ и стандартами. Состав питомника изучения корней в определенной степени препятствовал объективной оценке роли корней в формировании урожайности. Дело в том, что образцы с хорошим развитием корней – синтетическая пшеницы из Японии и некоторые синтетики из СИММИТа существенно уступали по урожайности и это отражалось на корреляционных зависимостях. Также сорта США имели слабое развитие корневой системы и низкую урожайность, что также повлияло на оценку взаимозависимости признаков. В идеале оценка эффектов корневой системы на адаптивность к условиям ограниченного увлажнения должна была проводиться на сходном материале местной селекции и образцов КАСИБ. Тем не менее проект также считал важным детально оценить развитие корневой системы у линий синтетической пшеницы и у сортов США.

Один из основных вопросов при оценке корневой системы и ее эффекта на показатели пшеницы заключался в стабильности проявления генетической изменчивости данного признака по фазам развития и по годам. Насколько параметры корней, оцененные в фазе выхода в трубку на 50 генотипах совпадают с данными во время цветения. Мы рассчитали коэффициенты корреляции по каждому из признаков в каждый год проведения опытов между данными во время выхода в трубку и данными во время цветения. В зависимости от года коэффициент корреляции варьировал от 0 до 0.70. Тем не менее, при расчете коэффициента корреляции по средним значениям по 6 опытам, корреляция всегда было положительной, достоверной и варьировала в пределах 0.6-0.6. Таким образом, признаки корней коррелируют в разные фазы развития и возможно ограничиться оценкой только в одну фазу, ввиду трудоемкости данных наблюдений. Методика фенотипирования, подходы к изучению корней и результаты по молекулярным маркерам будут включены в Методику маркер-опосредованной селекции пшеницы, приготовленной по результатам проекта

4. Изучение и использование в селекции новых синтетиков.

В научно-селекционном плане выделены новые перспективные синтетики, они охарактеризованы по агрономическим признакам и по составу важных генов, привлечены в скрещивания с получением более 100 комбинаций скрещивания. Таким образом заложен новый этап работа с новыми синтетическим пшеницами.