1.     Основное направление фундаментальных и фундаментально-ориентированных исследований

1. Изучение филогеографии рода Горох (Pisum L.), паттерна и генетического контроля репродуктивных барьеров внутри рода.
2. Изучение изменчивости генов гистона Н1 как перспективных филогенетических маркеров.
3. Получение и изучение мутантов гороха по признакам, связанным с азотфиксацией и их генетический анализ.

2.     Задачи, решаемые в настоящее время в рамках базового бюджетного проекта

Приоритетное направление VI.53. Общая генетика.

Программа VI.53.1. Генетические основы эволюции и селекции:  механизмы изменчивости, генетическое разнообразие и методы создания нового исходного материала для генетико-селекционных исследований. Координнатор: Академик В.К. Шумный

Проект VI.53.1.4.: Генетический контроль механизмов несовместимости между растениями разных таксонов  и их адаптации к неблагоприятным условиям среды. Координнатор: Першина Л. А., д.б.н., проф.

2013-2015 гг.

Задача лаборатории (блок 2): Генетический анализ репродуктивных барьеров между видами рода Pisum; изучение роли ядерно-цитоплазматического конфликта и отдельных ядерных генов, контролирующих несовместимость ядра и пластид, в проявлении этих барьеров

Приоритетное направление VI.53: Общая генетика

Программа VI.53.1.: Генетические основы эволюции и селекции: механизмы изменчивости, генетическое разнообразие и методы создания нового исходного материала для генетико-селекционных исследований

Проект: VI.53.1.1. Генетическое разнообразие возделываемых растений как основа эволюции и селекции (Координнатор: чл.-корр. РАСХН Гончаров Н.П.)

Задача лаборатории (Блок Б). В решении актуальной биологической проблемы – повышения эффективности использования молекулярного азота атмосферы в сельском хозяйстве, необходимо усовершенствовать методы селекции бобовых растений на повышение эффективности бобово-ризобиального симбиоза. Цели:  1) Разработать новые генетические модели с сочетанием разных sym-генов в одном генотипе макросимбионта и выявить возможности использования их в селекции; 2) Изучить физиолого-биохимические особенности и возможности использования в селекции суперклубеньковых и гиперклубеньковых симбиотических мутантов гороха, маркированных нами рецессивными  генами nod3 и nod4 и доминантным геном Nod5. 

3.     Прикладные разработки

Ведутся активные исследования по разработке эффективных методов использования индуцированных симбиотических мутантов гороха (Pisum sativum L) в селекции на повышение нодуляции и активности азотфиксации. Разработан метод рекуррентной селекции, основанный на сочетании в одном генотипе разных аллелей разных симбиотических генов – супернодуляции nod3 и гипернодуляции Nod5.

Впервые проведена оценка районированных сортов гороха, созданных в СИБНИИСХ (г. Омск) по активности азотфиксации. Результаты будут использованы в селекции гороха на повышение азотфиксации и накоплению азота в почве.

4.     Иллюстрированное описание лучших результатов, полученных подразделением за последние 5 лет

У посевного гороха обнаружен феномен ядерно-цитоплазматической несовместимости. При скрещивании дикорастущего образца ВИР320 (Pisum sativum subsp. elatius) в качестве материнского родителя с культурными формами гороха, гибриды первого поколения отличаются нарушенной хлорофилльной пигментацией, затрагивающей отдельные клоны клеток, редукцией листовых пластинок и прилистников, усиленным ветвлением, резко сниженной плодовитостью. Гибриды от скрещиваний в обратном направлении нормальны. Обнаружено, что проявления конфликта преодолеваются при неканоническом двуродительском наследовании пластид, причем зеленые сектора содержат отцовские пластиды, что свидетельствует о наличии конфликта между ядерным геномом и пластидным (Рис. 1). Установлено, что данный конфликт определяется по модели доминантной комплементации двумя несцепленными ядерными локусами, обозначенными Scs1 и Scs2: аномальный фенотип проявляется при наличии «культурного» аллеля в каждом из двух локусов. В отношении фертильности пыльцы эти локусы являются полимерными: наличие «культурного» аллеля в любом из них снижает фертильность пыльцы гибридов на 50-60%. В сочетании с цитоплазмой от ВИР320 «культурный аллель» Scs1 является спорофитной и гаметофитной леталью, а «культурный» аллель Scs2 - гаметофитной детрименталью. Scs1 картирован в группе сцепления III между генами PhlC и sym7, а ген Scs2 – в группе сцепления V между генами gp и Met2.

В скрещиваниях других представителей рода горох, принадлежащих к видам Pisum fulvum, P. abyssinucum и подвиду P. s. subsp. elatius, также наблюдаются проявления ядерно-цитоплазматической несовместимости, в основном связанные с эффектом аллелей гена Scs1 и проявляющиеся в виде сниженной семенной продуктивности и фертильности пыльцы. Высокопроизводительное секвенирование на платформе Ion Torrent полного пластидного генома у нескольких представителей рода Pisum указывает на пластидный ген AccD, кодирующий одну из субъединиц фермента ацетил-коА-карбоксилазы, играющего важную роль в биосинтезе жирных кислот, в качестве наиболее вероятного участника изучаемого конфликта со стороны цитоплазмы.

Рисунок 1. Мозаичный хлороз гибрида первого поколения от скрещивавния ВИР320 с культурным горохом и CAPS-анализ пластидного гена RbcL из секторов листа: хлоротичного (материнский аллель) и зеленого (гетероплазмия с преобладанием отцовского аллеля).

Анализ встречаемости аллелей трех диморфных молекулярных маркеров из разных клеточных геномов у представителей рода горох (Pisum L.) выявил в каждом из них аллель, предковый для рода, и производный аллель, характерный для культурного гороха (Pisum sativum subsp. sativum). Мутационный переход между этими аллелями произошел внутри вида посевной горох (Pisum sativum) до его доместикации, поскольку все сочетания аллелей - предковое, производное и промежуточные - выявлены среди его дикорастущих представителей (Pisum sativum subsp. elatius s. l.). Географическое распространение аллелей свидетельствует о том, что вид возник в Восточном Средиземноморье, откуда распространился в Западное Средиземноморье, где возникли производные аллели и до сих пор распространены промежуточные сочетания аллелей. Носители производных аллелей заняли Северо-Восточное Средиземноморье, включая Причерноморье, встретились с носителями диких аллелей в Малой Азии и дали начало культурному гороху.

Гистон Н1 – важный компонент хроматина эукариот, взаимодействующий со специфическими генными регуляторами и тем самым составляющий часть молекулярной среды, в которой происходит экспрессия любого гена. Изменения молекулы Н1 могут влиять на дифференциальную экспрессию многих генов и, следовательно, на многие признаки фенотипа. У бобовых растений выявлен высокий уровень внутривидового полиморфизма по гистону Н1. Используя изогенные линии гороха, чины и чечевицы в качестве модели, было продемонстрировано влияние замещения аллельных вариантов Н1 на многие количественные признаки. Высокий уровень изменчивости С-терминального домена гистона Н1 позволил провести реконструкцию филогенетических отношений в роде горох (Pisum L.) на основе первичной структуры гена, кодирующего один из его субтипов. С другой стороны, филогенетический сигнал не выявляется у гена, кодирующего уникальный субтип гистона Н1, экспрессирующийся только в делящихся клетках гороха, по всей видимости вследствие серьезных адаптивных ограничений на его изменчивость. В то же время у насекомых, для которых неаллельная гетерогенность гистона Н1 малохарактерна, а эволюционная изменчивость гена гистона Н1, как было показано ранее работами лаборатории, имеет значимую адаптивную составляющую, уровень этой изменчивости оказался достаточно высоким – примерно вдвое ниже чем у популярного в филогенетических исследованиях митохондриального гена COI. Это делает гены гистона Н1 перспективными филогенетическими маркерами.

Повышение эффективности бобово-ризобиального симбиоза как источника экономически дешевого азота из атмосферы – актуальная задача современной биологии. Селекцию на повышение азотфиксации можно вести на уровне макросимбионта – путем создания генотипов бобовых растений, отличающихся высокой урожайностью, активной нодуляцией и азотфиксацией.

С применением метода экспериментального мутагенеза под руководством проф. д.б.н. К.К. Сидоровой индуцированы симбиотические мутанты гороха по генам супернодуляции и гипернодуляции (рис. 2.). Суперклубеньковый мутант к301, индуцированный из сорта Рамонский 77 и аллельный гену nod4, характеризуется обильной нодуляцией: клубеньки мелкие, формируются по всему корню в течение всей вегетации, активность азотфиксации высокая, стебель фасциированный. Суперклубеньковый мутант к12, аллельный гену nod3, индуцированный из сорта Рондо, также имеет обильную нодуляцию и высокую азотфиксацию, стебель компактный. Из сорта Рондо индуцирован мутант к74, несущий доминантный аллель гена Nod5, характеризующийя гипернодуляцией – клубеньки крупные, расположены в основном в верхней части корня, активность азотфиксации высокая, продуктивность семян превышает таковую у исходного сорта. Доминантный ген Nod5 впервые был обнаружен нами у стародавнего сорта гороха Торсдаг.

С использованием индуцированного из сорта гороха Рамонский 77 суперклубенькового мутанта к301 (nod4) и сорта Торсдаг, маркированного геном Nod5, разработан метод рекуррентной селекции на повышение азотфиксации при хорошей урожайности. Метод основан на объединении в одном генотипе разных аллелей разных генов. Метод подтвержден в опытах с симбиотическими мутантами из сорта Рондо (табл. 1) и кормовыми сортами гороха Дружная и Новосибирская 1.

Таблица 1. Симбиотические признаки и продуктивность у суперклубенькового и гиперклубенькового мутантов гороха.

У местных эндемичных форм из Египта, Сирии, Палестины, Афганистана были изучены симбиотические признаки, а также проведены скрещивания с рекуррентной линией, маркированной геном супернодуляции (nod4). Лучшие результаты по оценке рекуррентных линий получены в опыте с эндемичной формой из Египта.

5.     Задачи, планируемые на перспективу

1. Идентификация молекулярной функции ядерных генов, ответственных за конфликт ядра и цитоплазмы у гороха и локализованных на генетической карте.
2. Филогеографические иследования диких представителей рода Горох с вовлечением новых молекулярных маркеров; локализация региона доместикации гороха.
3. Установление паттерна реципрокных репродуктивных барьеров между представителями различных эволюционных ветвей рода Горох.
4. Выяснение возможности использования генов гистона Н1 в филогеографических исследованиях у широкого круга объект.
5. Совершенствование методов селекции гороха с использованием генов, контролирующих азотфиксацию.