Мягкая пшеница - важный сельскохозяйственный злак, урожайности которого уделяется большое внимание, ведь около 20% потребляемых калорий люди получают именно из пшеницы. В ее генах зачастую происходят различные мутации, в том числе влияющие на число зерен в колосе. Подобные метаморфозы можно обратить в свою пользу, исследованием чего и занимаются ученые из ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН.

Мягкая (или хлебная) пшеница активно используется в пищевой промышленности: для приготовления хлебобулочных изделий, солода, отрубей, крахмала. Соцветием данного злака является колос: он состоит из главной оси, а к ней, в свою очередь, присоединяются колоски. Они же содержат не видные глазу цветки, которые дают начало зерновкам. Особенности строения колоса определяют как число, так и вес зерен, потому изучение влияющих на архитектуру соцветия факторов значимо для повышения урожайности этой сельскохозяйственной культуры.

Как биологический вид мягкая пшеница отличается большой экологической пластичностью - способностью существовать в различных средах, оказывающих какое-либо воздействие на организм. В мире известно более 25 000 экотипов (совокупностей однородных популяций в пределах того же вида), произрастающих в умеренных широтах. Геном пшеницы огромен, его размер на порядки превышает размеры генома риса и кукурузы.

В норме колоски пшеницы располагаются двумя параллельными рядами вдоль оси колоса, а само соцветие не ветвится, как, например, у риса: в противном случае это уже отклонение. Однако такие изменения могут быть даже полезными, а потому ученые ФИЦ ИЦиГ СО РАН исследуют генетическую регуляцию развития соцветия пшеницы. Они работают на материале коллекции мутантов, появившихся как благодаря природному спонтанному мутационному процессу, так и в результате индуцированного (химического, радиоактивного) мутагенеза в лабораторных условиях.

- Нас интересуют аномалии в развитии соцветия, связанные с формированием колоска и цветка, - рассказывает кандидат биологических наук Оксана Борисовна Добровольская. - Исследуя строение соцветия, мы поделили образцы нашей коллекции на несколько групп, каждая из которых характеризуется определенными особенностями развития.

В первой, самой большой группе, вместо цветков развиваются колоски, и в результате формируется колос нестандартного типа - многоколосковый. У второй образуются дополнительные (так называемые вертикальные) колоски - один над другим. В третьей только часть цветков развивается по стандартной схеме, а часть заменена колосками. В последней же удлиняется ось колоскового стержня - то есть ее рост становится индетерминированным (не останавливается), а также появляются дополнительные органы - сверхчисленные чешуи, закрывающие колоски.

- Группы различаются особенностями развития и генами, которые эти особенности определяют, - поясняет исследовательница. - Мы уже выделили ген, отвечающий за изменения в первой группе, а австралийские ученые - во второй. Для этого проводились комплексные исследования: на молекулярно-генетической карте, которая показывает расположение генов, молекулярных ДНК-маркеров, а также расстояния между ними на хромосоме, определялось положение гена, контролирующего многоколосковое соцветие. Затем, основываясь на сходстве структурной организации хромосом злаков, был определен влияющий на такие изменения ген-кандидат.

Дело в том, что все современные злаки произошли от общего предка - потому у их хромосом сходное строение. Если известно точное расположение какого-либо гена на молекулярно-генетической карте одного вида, а также выявлено, что изучаемая область не подвергалась перестройкам в процессе эволюции, можно предположить наличие гена с такой же структурой и функциями у других видов. В частности, это возможно сделать у злаков, чей геном к настоящему времени наиболее изучен - например, риса. В исследовании ученых ИЦИГ СО РАН таким геном-кандидатом оказался FRIZZY PANICLE - его мутации вызывают формирование колосков вместо цветков у риса. Предположительно, у пшеницы есть ген с такими же функциями.

- Так как геном пшеницы состоит из трех близкородственных субгеномов, надо было определить последовательность ДНК гена-кандидата в каждом из них, - рассказывает Оксана Добровольская. - В результате один геном оказался функционально неактивен из-за перестроек в регуляторной области гена, а в остальных двух мутации все-таки вызвали нарушения перехода от одной стадии развития к другой. Выходит, FRIZZY PANICLE определяет установление идентичности меристем (образовательных тканей растения) цветка, а его мутации могут стать причиной изменений в развитии и их внешнего проявления - того самого развития колосков вместо цветков.

Вслед за этим ген FRIZZY PANICLE был выделен в геноме пшеницы тучной - c тетраплоидным (состоящим из двух субгеномов) геномом. В отличие от мягкой пшеницы, у тучной широко распространены многоколосковые ветвистые формы. Было показано, что причиной появления ветвистости независимо от места произрастания является одна и та же мутация гена FRIZZY PANICLE. Сибирские ученые выяснили: она передалась и другому виду тетраплоидной пшеницы - твердой - при спонтанной гибридизации.

После исследователи перешли к третьей, менее изученной группе со схожим (как у первой) фенотипом. В обоих случаях вместо цветков формировались колоски, но в первом изменялись все цветки, а в другом преобразования происходили только в верхней области колоска.

- Фенотип третьей группы определяется другим, уже известным геном - SHAM RAMIFICATION2, - поясняет Оксана Добровольская. - Так что мы подумали: раз мутации FRIZZY PANICLE и SHAM RAMIFICATION2 вызывают сходные проявления, возможно эти гены имеют и общие функции? Чтобы проверить вероятное взаимодействие, применялся классический анализ: исследователи скрестили образцы тетраплоидных видов пшеницы из обеих групп и проанализировали фенотип их потомков.

Оказалось, что гены пшеницы FRIZZY PANICLE и SHAM RAMIFICATION2 независимо наследуются и принадлежат разным генетическим путям регуляции (то есть участвуют в регуляции разных процессов при развитии). Неожиданной находкой стало выявление других, еще не изученных генов или гена, которые наряду с FRIZZY PANICLE определяют ветвистость колоса тучной пшеницы. Совсем другими экспериментами к выводу о существовании этих генов пришли китайские ученые.

Попытки переносить ген, определяющий фенотип первой группы, в коммерческие сорта пшеницы для повышения урожайности продолжаются до сих пор, но существенных результатов получить пока не удалось. Вероятно, исследователям не хватает знаний о других генах, которые в комплексе с изученными регулируют развитие колоса пшеницы. А вот линии из другой группы мягкой пшеницы - с повышенной фертильностью цветков и озерненностью колоска - уже можно использовать в современной селекции как донора полезных признаков.

- Нельзя говорить, что все мутации генов, регулирующих развитие, вредны или, наоборот, полезны - есть еще и нейтральные, - заключает исследовательница. - Однако именно спонтанные мутации по некоторым генам, определяющим развитие и архитектуру колоса, способствовали тому, что пшеница стала широко возделываться человеком. В перспективе результаты исследований даже позволят сказать, какие сочетания аллелей генов нужно использовать для получения продуктивных сортов.

Алена Литвиненко

Похожие новости

  • 17/11/2016

    Продукция селекционеров ИЦиГ СО РАН вызвала интерес на выставке «Дни урожая-2016»

    ​С 9 по 11 ноября 2016 года в МВК "Новосибирск Экспоцентр" в рамках Новосибирского агропродовольственного форума прошло подведение итогов 2016 года для агропромышленного комплекса региона.  В рамках форума также прошел и традиционный праздник - Дни урожая Новосибирской области.
    504
  • 08/04/2017

    ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН и Алтайский государственный университет подписали соглашение о сотрудничестве

    Документ был подписан во время совместного совещания, прошедшего в ИЦИГ СО РАН, в котором приняла участие большая делегация из Барнаула во главе с ректором АлтГУ Сергеем Землюковым. Открывая совещание, директор ИЦИГ СО РАН академик Николай Колчанов отметил: — Барнаул является нашим ближайшим соседом среди областных центров.
    338
  • 28/03/2017

    Академик Николай Гончаров о наследии Николая Вавилова и значении биоколлекций для современной науки

    Портал "Академгородок" публикует интервью с участниками 3-й Международной конференции «Генофонд и селекция растений», посвященной 130-летию со дня рождения Н.И. Вавилова, которая проходит в ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» 28-30 марта 2017 года.
    291
  • 14/11/2016

    Академику Владимиру Солошенко исполнилось 70 лет

    ​Солошенко Владимир Андреевич Солошенко родился 12 ноября 1946 году в г. Черепаново Новосибирской области. Окончил Новосибирский сельскохозяйственный институт в 1970 году по специальности зоотехния. В 1970-1972 г.
    530
  • 11/08/2016

    Новосибирские ученые-генетики проводят всероссийский картофельный эксперимент

    ​Федеральный исследовательский центр "Институт цитологии и генетики СО РАН" (ИЦиГ, Новосибирск) стал участником целевой комплексной программы по картофелю, которая в соответствии с указом президента России будет реализована с 2017 по 2025 годы.
    653
  • 01/09/2016

    Генетика и геномика растений: совместные исследования более продуктивны

    ​Интервью с заведующим лабораторией молекулярной генетики Института биологии и биотехнологии растений Республики Казахстан, кандидатом биологических наук, ассоциированным профессором Ерланом Туруспековым, участником Международного научного симпозиума "Генетика и геномика растений для продовольственной безопасности" - Ерлан Кенесбекович, как Вы знаете, в нашей стране с 2013 года происходит реформа Российской академии наук.
    862
  • 28/03/2017

    Академик Николай Колчанов: «Россия использует не больше 30 % своего сельскохозяйственного потенциала»

    Согласно указу Президента РФ, сельское хозяйство нашей страны должно перейти на новый уровень. Планируется активно внедрять в практику разработанные российскими селекционерами сорта и технологии. Что сегодня наука может предложить отрасли, обсуждается в ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН на третьей международной конференции «Генофонд и селекция растений», посвященной 130-летию Н.
    261
  • 02/06/2016

    Алексей Кочетов: мы должны обладать всеми необходимыми компетенциями в области современной селекции

    ​Интервью с заместителем директора по научной работе Института цитологии и генетики СО РАН, доктором биологических наук Алексеем Кочетовым.- Алексей Владимирович, не секрет, что российское сельское хозяйство сейчас очень сильно зависит от импорта зарубежных семян.
    912
  • 28/03/2016

    Иван Лихенко: «Если твое учреждение реформируют, надо в этом участвовать»

    ​​В этом году Сибирский НИИ растениеводства и селекции отмечает юбилей: одному из старейших научных учреждений Западной Сибири исполняется 80 лет.  О том, с каким багажом СибНИИРС подходит к этой дате и какие задачи стоят перед селекционерами "на будущее", мы попросили рассказать его руководителя, доктора сельскохозяйственных наук Ивана Лихенко.
    856
  • 31/03/2017

    Академик Николай Колчанов рассказал о развитии Селекционного центра

    30 марта на территории новосибирского Академпарка прошло очередное заседание членов Совета «Сибирской биотехнологической инициативы» (СБИ). СБИ – это программа, объединяющая объекты инновационной инфраструктуры и органы власти Сибирского федерального округа, в целях развития биотехнологий, медицины и фармацевтики.
    331