Лаборатория генетики и биотехнологии растений
Заведующий лабораторией: д.б.н. Анатолий Васильевич Войлоков
Лаборатория генетики и биотехнологии растений была организована одновременно с Санкт-Петербургским филиалом ИОГен РАН. Основным объектом изучения является озимая рожь – традиционная для России сельскохозяйственная культура, служащая и компонентом тритикале. На основе самоопыления гибридов, полученных от скрещивания самонесовместимых растений ржи с автофертильными линиями создана непрерывно пополняемая генетическая коллекция (Смирнов, Соснихина, 1984). В инбредных линиях представлено разнообразие спонтанных рецессивных мутаций , затрагивающих качественные и количественные признаки ржи. Коллекция служит основой для исследований, направленных на решение ряда фундаментальных и практических проблем, сложившихся исторически и возникающих по мере развития генетики и селекции.
В настоящее время исследования проводятся по пяти основным направлениям:
1. Изучение наследования качественных и количественных признаков и построение генетических карт хромосом ржи на основе идентифицированных генов, биохимических и молекулярных маркеров.
Генетическая карта участка хромосомы 5R, включающая молекулярные маркёры и четыре гена с морфологическим проявлением: ct2(карликовость), Ddw1(доминантная короткостебельность), Hp(опушение стебля под колосом), R(антоциановая пигментация основания листьев).
2. Генетическое и молекулярно-цитологическое изучение компактизации и синапсиса гомологичных хромосом в мейозе.
Завершена работа по изучению наследования и проявления на свето-оптическом уровне мейотических аномалий, с высокой частотой встречающихся в популяциях ржи. Идентифицированы и поддерживаются в гетерозиготном состоянии 12 мутантных генов. Три из 12 мутантов являются полными или частичными асинаптиками, семь сочетают асинапсис с гетерологичным синапсисом, два мутанта характеризуются изменённой компактизацией хромосом. Сравнительное изучение иммуноцитохимической локализации белка AtAsy1, ассоциированного с осями хромосом, и белка AtZyp1 компонента поперечных волокон синаптонемного комплекса в мейоцитах ржи дикого типа и синаптических мутантов sy1 и sy10 на различных стадиях в профазе I позволили впервые установить наличие ортологов этих белков у ржи и предложить оригинальную модель сборки синаптонемного комплекса. Впервые у ржи картированы пять генов, отвечающих за синапсис гомологичных хромосом во второй (sy9,sy18) , пятой ( sy10) и седьмой хромосомах( sy19, sy1). Ставится задача с помощью современных – омных подходов установить первичных дефект у каждого из мутантов.
Иммуноцитохимическая локализация белка Asy1, (зеленый цвет) на осях мейотических хромосом в зиготене профазы I мейоза у ржи дикого типа (A) и двух асинаптических мутантов sy1 (Б) и sy9 (В)
3. Генетический и молекулярно-биологический анализ взаимодействия родительских геномов у пшенично-ржаных гибридов и первичных тритикале.
Проблема взаимодействия родительских геномов у пшенично-ржаных гибридов и первичных тритикале разрабатывается с помощью оригинального варианта гибридологического анализа( Voylokov, Tikhenko, 2002 ). С его помощью выявлен ряд генов ржи, как с негативным эффектом на развитие гибридов, так и генов, способствующих сбалансированному функционированию родительских геномов. Идентифицированы мутантные гены ржи, ведущие у пшенично-ржаных гибридов к эмбриональной (Eml-R1) и проростковой (Hdw-R1) летальностям. Показано, что летальный эффект связан с нарушением функционирования стеблевой апикальной меристемы. Гены Eml-R1 и Hdw-R1 сцеплены, они картированы в хромосоме 6R по разные стороны точки разрыва эволюционной транслокации между хромосомами шестой и третьей гомеологичных групп. У пшеницы установлена хромосомная локализация генов, составляющих комплементарную пару каждой из мутаций межродовой несовместимости. C помощью нулитетрасомных линий и делеционного картирования у пшеницы Chinese spring установлены участки хромосом разных геномов, отсутствие которых ведёт к нарушению развития эндосперма и зародыша как собственно у пшеницы, так и у пшенично-ржаных гибридов. Пониманию функциональной и эволюционной роли установленных генов должно способствовать их тонкое картирование и секвенирование с последующим сопоставлением с аннотированными последовательностями в гомеологичных участках хромосом у родственных диплоидных и полиплоидных злаков.
Сканирующая электронная микрофотография пшенично-ржаных зародышей с нормальным развитием (слева, аллель Eml-R1a) и с отсутствием стеблевой апикальной меристемы (справа, аллель Eml-R1b ).
4. Молекулярно-генетическое изучение вторичного метаболизма в зерновках ржи.
Рожь рассматривается как наиболее перспективный злак в качестве источника соединений вторичного метаболизма, обеспечивающих оздоровительный эффект зернового питания. К числу таких соединений относятся флавоноиды, в частности, антоцианы. В лаборатории впервые у ржи относительно генных маркёров (EST, COS) картированы пять мутаций безантоциновости – vi1(7R), vi2(4R), vi3(3R), vi4/vi5(2R), vi6(2R). На основании данных сравнительной геномики злаков сделан предварительный вывод о генах-кандидатах для мутаций безантоциановости и установлена хромосомная локализация у ржи доминантных генов наличия антоцианов в перикарпе (Vs, 2R) и алейроне (C, 7R). Показано, что антоцианы отсутствуют в зерне жёлтой и коричневой окраски. Дельфинидин 3-О-рутинозид и цианидин 3-О-рутинозид в низкой концентрации были обнаружены в алейроне у пяти зелёнозёрных линий. У шести образцов с фиолетовой окраской перикарпа установлено значительное варьирование по составу и концентрации антоцианов. Основным агликоном у них является цианидин или пеонидин, в качестве гликозильных остатков выступают глюкоза или рутиноза. Межлинейные различия сводятся к соотношению основных антоцианов и их ацилированных производных. Проводится разработка функциональных маркёров для генов-кандидатов доминантных (Vs, C) и рецессивных(vi1-vi6) мутаций.
Выделение с помощью маркёров двойных мутантов, сочетающих доминантые гены биосинтеза антоцианов в алейроне (C) или перикарпе (Vs) с рецессивными мутациями безантоциановости (vi1-vi6) позволит получить формы ржи с разным качественным и количественным составом флавоноидов в зерне.
Результаты МАЛДИ-визуализации распределения рутинозида пеонидина в перикарпе зерна молочной спелости для фиолетовозёрной линии RMu12, совмещённые с оптическим изображением (A); масс-спектр одной точки препарата (x=320, y=139) и объяснение картины фрагментации рутинозида пеонидина (B).
5. Внедрение индивидуального отбора в селекцию существующих сортовых популяций ржи на основе генетического маркирования мутации автофертильности и использования метода инфракрасной спектроскопии с целью создания высокоадаптивных сортов разного целевого назначения.
Эта работа проводится на протяжении шести последних лет в сотрудничестве с НИИСХ Северо-Востока (Л.И. Кедрова, Е.И. Уткина, Н.В. Чугунова) и группой компаний Люмэкс (Е.Г. Долбиева, Я.М. Григорьев) с целью улучшения и дифференциации сорта Снежана по ранее предложенной схеме (Войлоков, 2007) в сочетании с разработкой неразрушающих методов анализа качества зерна. Получены и охарактеризованы по полевым и лабораторным показателям свыше 400 инбредных потомств от возвратных линейно-сортовых гибридов. Данные по биохимическим показателям используются для калибровки инфракрасного спектрометра ФТ-10. Создание калибровочных уравнений позволит впервые для ржи проводить оценку показателей качества на основе урожая с одного растения и использовать семена отобранных потомств для создания субпопуляций по ранее предложенной схеме.
Основные публикации последних лет
1. Tikhenko N., Poursarebani N., Rutten T., Schnurbusch T., Börner A. Embryo lethality in wheat-rye hybrids: dosage effect and deletion bin mapping of the responsible wheat locus//Biol. Plant. 2017. V.61 P. 342-348. dx.doi.org/10.1007/s10535-016-0691-6
2. Tikhenko N., Rutten T., Senula A., Rubtsova M., Keller E. R .J., Börner A. The changes in the reproductive barrier between hexaploid wheat (Triticum aestivum L.) and rye (Secale cereale L.): different states lead to different fates//Planta. 2017. V. 246. P. 377–388.dx.doi.org/10.1007/s00425-017-2694-8
3. Zykin P.A., Andreeva E.A., Lykholay A.N., Tsvetkova N.V., Voylokov A.V. Anthocyanin Composition and Content in Rye Plants with Different Grain Color//Molecules.2018.V. 23. № 948. P. 1-12. doi:10.3390/molecules23040948
4. Tsvetkova N.V., Tikhenko N.D., Hackauf B., Voylokov A.V. Two Rye Genes Responsible for Abnormal Development of Wheat–Rye Hybrids Are Linked in the Vicinity of an Evolutionary Translocation on Chromosome 6R//Plants.2018.V.7(3). №55. P. 1-8. doi:10.3390/plants7030055
5. N. Tikhenko, N. Poursarebani, T. Rutten, T. Schnurbusch, A. Boerner. Embryo lethality in wheat-rye hybrids: dosage effect and deletion bin mapping of the responsible wheat locus//Biologia Plantarum. 2016. Doi:10.1007/s10535-016-0691-6
6. Уткина Е. И., Войлоков А. В., Кедрова Л. И., Чугунова Н. В. Методические подходы к созданию популяционных сортов озимой ржи разного целевого назначения//Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2016.№ 6(55).C.4-8.
7. Зыкин П.А., Уткина Е.И., Войлоков А. В. Опыт имидж-анализа зерна ржи//Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2017. № 6(61). С.4-8. ISSN 2072-9081
8. Tikhenko N. D., Tsvetkova N. V., Lyholay A. N., Voylokov A. V. Identification of complementary genes of hybrid lethality in crosses of bread wheat and rye. Results and prospects//Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2017. V.7.№2. P. 153-158. dx.doi.org/10.1134/s2079059717020149
9. Войлоков А.В., Соснихина С.П., Тихенко Н.Д., Цветкова Н.В., Михайлова Е.И., Смирнов В.Г. Петергофская коллекция ржи и ее использование в генетических исследованиях//Экологическая генетика.2018.Т.16.№2.С.40-49. doi: 10.17816/ecogen16240-49
10. Voylokov A.V., Sosnikhina S.P., Tikhenko N.D., Tsvetkova N.V., Smirnov V.G. Petehof rye genetic collection: history and prospects for practical use. In: Gorawala P., Mandhatri S. (Eds.): Agricultural Research Updates. Vol. 23. New York, NY: Nova Science Publishers, Inc. – 2018. – P. 155-176. ISBN: 978-1-53613-724-8