1.     Основные направления фундаментальных и фундаментально-ориентированных исследований

• Изучение механизмов интрогрессивной гибридизации и генетического контроля стрессоустойчивости растений с помощью методов хромосомной инженерии
• Микроэволюционные процессы в популяциях видов разных таксонов

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

• Исследование влияния  индивидуальных хромосом пшеницы и ее сородичей на проявление адаптивных и хозяйственно-ценных признаков при межсортовом и чужеродном замещении  хромосом
• Изучение особенностей ядерных и митохондриальных геномов при стабилизации интрогрессивных форм мягкой пшеницы, созданных на основе ячменно-пшеничных и пшенично-ржаных гибридов
• Разработка методов хромосомной инженерии для создания новых форм мягкой пшеницы, используемых в качестве генетических моделей и представляющих интерес для селекции
• Изучение генетического полиморфизма Aegilops tauschii

3.     Прикладные разработки

Совместно с лабораторией яровой мягкой пшеницы СИБНИИСХ Россельхозакадемии, г. Омск создано 3 сорта яровой мягкой пшеницы:

• Сорт Памяти Майстренко. В 2010 г передан на Госсортоиспытание, в 2013 г получен патент.
• Сорт Омская 41. В 2011 г передан на Госсортоиспытание, в 2013 г получен патент.
• Сорт Сигма. В 2013 г передан га Госсортоиспытание.

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

Создание сорта мягкой пшеницы Памяти Майстренко – экспериментальное подтверждение перспективности использования иммунных линий сорта Саратовская 29, несущих чужеродные хромосомы. 

Выполнен очередной этап создания, изучения и практического использования иммунных линий, полученных в результате интрогрессии в ядерный геном сорта яровой мягкой пшеницы Саратовская 29 генетического материала от двух дикорастущих сородичей мягкой пшеницы T. timopheevii Zhuk. (2n=28;  A^tA^tGG) и  Ae.tauschii Coss. (2n=14; D’D’).  Гибридная популяция F₂, сформированная из лучших по устойчивости к грибным патогенам растений, полученных от скрещивания сорта мягкой пшеницы Ранг с иммунной линией Л-10, была тестирована в разных экологических условиях на естественном и инфекционном фоне при заражении растений грибными патогенами. В результате отбора совместно с лабораторией яровой мягкой пшеницы СибНИИСХ Россельхозакадемии, г. Омск, на основе одной из гибридных линий был создан сорт сильной пшеницы (рис. 1), названный Памяти Майстренко в честь организатора и первого руководителя работ по созданию иммунных линий сорта Саратовская 29 О. И. Майстренко. В 2013 г. на этот сорт получен патент. Этот сорт наряду с комплексной  устойчивостью к мучнистой росе, листовой ржавчине, стеблевой ржавчине, пыльной головне, засухе, характеризует высокие технологические качества зерна. Установлено, что проявление этих адаптивных и хозяйственно-ценных признаков у сорта Памяти Майстренко связано с влиянием чужеродных хромосом, интрогрессированных в ядерный геном мягкой пшеницы. Так, у этого сорта выявлены замещения хромосом 2В и 6В на гомеологичные хромосомы G-генома T. timopheevii и замещение хромосомы 1D на ортологичную хромосому Ae.tauschii.   

Рисунок 1. Схема создания сорта яровой мягкой пшеницы Памяти Майстренко.

Множественный аллелизм доминантного гена Vrn-B1, контролирующего время колошения мягкой пшеницы.

Время начала цветения, созревания и отзывчивость мягкой пшеницы на яровизацию находиться под контролем генов Vrn. Предполагается, что разнообразие мягкой пшеницы с разной длиной вегетационного периода связано с существование множественного  аллелизма генов Vrn. С целью изучения этих вопросов проведено данное исследование.  Созданы генетические модели –  изогенные линии озимого сорта пшеницы Безостая 1 по двум доминантным аллелям гена Vrn-B1 – Vrn-B1a, Vrn-B1c и гену Vrn-A1, контролирующим яровой тип развития и время колошения мягкой пшеницы. В результате тестирования этих линий доказано наличие множественного аллелизма гена Vrn-B1 и выявлен критический период в развитии растений мягкой пшеницы, определяющий продолжительность всего вегетационного развития от всходов до колошения и созревания (рис. 2). Такой период – продолжительность времени от  появления первого узла до формирования стебля находится под контролем гена Vrn-A1 и каждого из изученных аллелей гена Vrn-B1. Созданные линии включены в дальнейшие исследования  по изучению молекулярно-генетических механизмов регуляции продолжительности вегетационного периода мягкой пшеницы.  

 Рисунок 2. Периоды развития изогенных линий и озимого сорта пшеницы Безостая 1. Растения выращены в гидропонной теплице без яровизации. Продолжительность фазы  формирования первого узла кущения у каждой изогенной линии различна. Озимый сорт Безостая 1 в этих условиях не выколашивался, оставаясь в фазе кущения.

Изучен характер изменчивости митохондриальной (мт) ДНК в процессе формирования интрогрессивных форм мягкой пшеницы в зависимости от происхождения цитоплазмы.

Обнаружены особенности состояния 18S/5S мт-повтора в зависимости от структуры ядерного генома и наличия цитоплазмы у  линий мягкой пшеницы с интрогрессией генетического материала дикорастущего ячменя H.marinum. Для изучения этих особенностей были созданы генетические модели – эуплазматические (с цитоплазмой мягкой пшеницы) и аллоплазматические (с цитоплазмой ячменя H.marinum) линии мягкой пшеницы с интрогрессией хромосомы ячменя 7HL^mar. Показано, что стерильные аллоплазматические генотипы с хромосомами ячменя 7HL^mar характеризует гомоплазмия ячменного типа, а частично фертильные и полностью фертильные – гетероплазмия (одновременное присутствие мтДНК ячменного и пшеничного типа). Вытеснение всех хромосом ячменя из генома аллоплазматической линии и полное восстановление фертильности сопровождается переходом 18S/5S мт-повтора от состояния гетероплазмии в состояние гомоплазмии пшеничного типа. У эуплазматических замещенных линий 7HL^mar(7D), 7HL^mar(7A) и 7HL^mar(7B), несущих цитоплазму мягкой пшеницы, независимо от проявления уровня фертильности, обнаружены последовательности 18S/5S мт-повтора пшеничного типа. Таким образом, выявление последовательностей мтДНК ячменного типа у аллоплазматической замещенной линии связано с наличием и хромосом, и цитоплазмы ячменя. 

Рисунок 3. Схема создания замещенных аллоплазматических и эуплазматических линий мягкой пшеницы с замещением 7HL(7D);  в  кариотипе пшенично-ячменной замещенной линии  зеленым цветом окрашены хромосомы ячменя;  ПЦР-спектр, полученный при амплификации 5’-конца 18S/5S рекомбинационного повтора митохондриальной ДНК: 1 – ячмень H. marinum; 2 – мягкая пшеница; растения линий  с цитоплазмой ячменя и  хромосомами ячменя (3 – стерильные, 4 – частично фертильные, 5 – полностью фертильные); 6 –  растения линий с цитоплазмой ячменя и отсутствием хромосом ячменя;  растения линий с цитоплазмой пшеницы и хромосомами ячменя (7 – частично фертильные, 8 – полностью фертильные). 

Изучена распространенность пшенично-чужеродных транслокаций в геноме  сортов и перспективных линиях яровой мягкой пшеницы, созданных в Западной Сибири.

Выявлены сорта с пшенично-ржаной транслокацией 1RS.1BL, носителем кластера генов Lr26/Sr31/Yr9/Pm8,  определяющих устойчивость к грибным патогенам, и сорта и линии, сочетающие пшенично-ржаную транслокацию 1RS.1BL с пшенично-пырейной транслокацией 7DL-7Ai, носителя кластера генов Lr19/Sr25. Установлено, что устойчивость к бурой ржавчине у сортов Омская 37 и Омская 38 определяется аддитивным действием генов Lr26 и Lr19, а устойчивость к стеблевой ржавчине влиянием  гена Sr25. В результате отбора на инфекционном фоне была выделена перспективная линия, несущая кластеры генов Lr26/Sr31/Yr9/Pm8 и Lr19/Sr25 и характеризующаяся хозяйственно-ценными признаками. Эта линия была передана на Государственное сортоиспытание в качестве сорта Омская 41.

Показана возможность использования аллоплазматических линий (ядерно-цитоплазматических гибридов) мягкой пшеницы (H.vulgare)-T.aestivum,  характеризующихся восстановленной фертильностью, в селекции.

На основе одного  из ядерно-цитоплазматических гибридов, имеющего в ядерном геноме пшенично-ржаную транслокацию 1RS.1BL, а в цитоплазме копии митохондриальной и хлоропластной ДНК ячменя, при сотрудничестве с СИБНИИСХ Россельхозакадемии (г. Омск) создан среднеспелый сорт яровой мягкой пшеницы Сигма. Этот сорт, сочетающий высокую полевую устойчивость к бурой и стеблевой ржавчине, устойчивость к полеганию, повышенную урожайность, по качеству зерна, отнесен к сильным пшеницам.  

Рисунок 5. Схема создания и изучения аллоплазматических линий  H.vulgare-(T.aestivum),  аллоплазматической  линии  мягкой пшеницы Л-311 с интрогрессией хромосом  1RS ржи в составе пшенично-ржаной транслокации 1RS.1BL (в кариотипе линии Л-311 хромосомы ржи окрашены зеленым цветом) и сорта яровой мягкой пшеницы Сигма.

5.     Задачи, планируемые на перспективу: формулировки должны содержать как фундаментальные научные задачи, так и возможную прикладную направленность исследований в подразделении

• Изучение особенностей изменчивости ядерных, хлоропластных и митохондриальных геномов при стабилизации  интрогрессивных линий мягкой пшеницы, формирующихся при разных направлениях скрещивания родительских видов
• Изучение влияния межсортового и чужеродного замещения определенных хромосом мягкой пшеницы и ее сородичей на адаптацию, устойчивость к грибным патогенам и абиотическим стрессам

Совместители