Разработка новых генетических ресурсов для улучшения казахстанской пшеницы
Summary:
Wheat is world’s 64th most traded commodity and Kazakhstan is a major wheat exporter. The country produces ~16 million tonnes of wheat annually the half of which is exported which allows the country to earn ~$1.2B per season and at the same time to contribute to the sustainable global food supply significantly. Also, wheat is the main grantor of the country’s own food security as most of the local dietary commodities consisted of wheat flour. The high per capita wheat flour consumption (~143kg) in the country compared to Europe (~109kg) is the testament of this.
Despite these facts, an average (~1t/ha) wheat grain yield, which is the lowest across the world, has not changed since the reclamation of fallow land (1950-60’s). Moreover, country’s wheat breeding is mainly based on conventional methods compared to the UK’s, which takes advantage of using the most advanced genomic techniques. The genomic approach with combination of other intensive agricultural practices has had a significant positive effect on enhancing the average wheat yield in the UK which doubled from 4 to almost 9 t/ha in the last 60-70 years.
Бидай әлемдегі ең көп сатылатын тауарлардың 64-шісі және Қазақстан аймақтағы негізгі бидай экспорттаушысы болып табылады. Мемлекет жыл сайын ~16 миллион тонна бидай өндіріп, оның жартысын экспорттайды. Бұл елге бір маусымда ~1,2 миллиард доллар табуға және сонымен бірге жаһанның азық-түлік қауіпсіздігіне айтарлықтай үлес қосуға мүмкіндік береді. Сондай-ақ, бидай Қазақстанның өз азық-түлік қауіпсіздігінің негізгі көзі болып табылады, өйткені жергілікті тағамдық тауарлардың көпшілігі бидай ұнынан жасалады. Еуропамен салыстырғанда (~109 кг), Қазақстандағы жан басына шаққандағы бидай ұнын тұтынудың жоғары мөлшері (~143 кг) осының дәлелі.
Осы фактілерге қарамастан, Қазақстандағы бидайдың орташа өнімділігі (~1 т/га) дүние жүзіндегі ең төмен көрсеткіш болып табылады және бұл көрсеткіш 1950-60 жылдардағы тың игеру кезінен бері айтарлықтай өзгенген жоқ. Сонымен қатар, өсімдік селекциясында ең озық геномдық әдістерді қолданудың нақты пайдасын көріп отырған Ұлыбританияның бидай селекциясы жүйесімен салыстырғанда, Қазақстандағы бидай селекциясы негізінен дәстүрлі селекциялық әдістерге негізделген. Маңыздысы, Ұлыбританияда геномдық тәсілді басқа да қарқынды ауылшаруашылық тәжірибелерімен үйлестіру нәтижелері бидайдың орташа өнімділігін екі есеге, яғни 4-тен 9 т/га, арттыруға айтарлықтай оң әсер етті.
Пшеница является 64-м наиболее продаваемым товаром в мире, а Казахстан является крупным экспортером пшеницы в регионе. Страна производит ~16 миллионов тонн пшеницы в год, половина из которых экспортируется, что позволяет стране зарабатывать ~$1,2 млрд за сезон и в то же время вносить значительный вклад в устойчивую глобальную продовольственную безопасность. Кроме того, пшеница является основным источником собственной продовольственной безопасности страны, поскольку большая часть местных продуктов питания состоит из пшеничной муки. Свидетельством этого является высокое потребление пшеничной муки на душу населения в стране (~143 кг) по сравнению с Европой (~109 кг).
Несмотря на эти факты, средняя (~1 т/га) урожайность зерна пшеницы, являющаяся самой низкой в мире, не изменилась со времен освоения целины (1950-60-х гг). Кроме того, по сравнению с британской селекции пшеницы, которая использует передовые геномные методы в селекции растений, селекция пшеницы в Казахстане в основном основана на традиционных методах. Геномный подход в сочетании с другими интенсивными сельскохозяйственными методами, безусловно, оказал значительное положительное влияние на повышение средней урожайности пшеницы в Великобритании, которая удвоилась с 4 до ~9 т/га за последние 60-70 лет.
Project goal:
Thus, the aim of this grant proposal is to use such a genetic strategy to develop four bi-parental wheat populations, through crossing the Kazakh and UK commercial wheat varieties, and constructing their high-density genetic maps.
Сондықтан, аталған гранттық жобаның негізгі мақсаты — замануи генетикалық стратегияларды пайдаланып, Қазақстанның және Ұлыбританияның коммерциялық бидай сорттарын будандастыру нәтижесінде алынған бидайдың төрт бипарентальді (екі аталық) популяцияларын шығаруға және олардың әрқайсысының жоғары-тығыздықтағы генетикалық карталарын құруға бағытталған.
Поэтому, целью данного грантового предложения является использование совремменной генетической стратегий, направленной на создание четырех бипарентальных популяций пшеницы, полученных в результате скрещивания казахстанских и британских коммерческих сортов пшеницы, и построение их индивидуальных генетических карт высокой-плотности.
Expected results:
The four bi-parental populations, consisted of 384 genotypes in total, for Kazakh bread wheat and their individual genetic maps, comprised of 35000 SNP DNA markers, developed throughout the implementation of the project will be the main outcomes. Both plant recourse and genetic dataset will be available for local and international wheat breeders and scientists. They are especially beneficial for Kazakh wheat breeders and scientists as each of the four germplasm panels will enable them to pinpoint important genetic factors that they could not segregate through the crossing of highly related local wheat varieties. The genetic maps will provide a great opportunity for those genetic factors of important traits to be mapped to the wheat genome.
Жобаны жүзеге асыру барысында әзірленетін жалпы саны 384 генотиптен құралатын қазақ бидайының төрт бипарентальді популяциялары және олардың 35000 SNP ДНҚ маркерлерінен тұратын жекелеген генетикалық карталары жобаның нәтижелері болады. Өсімдік ресурстары мен генетикалық деректер жиынтығы жергілікті және халықаралық бидай селекционерлері мен ғалымдары үшін болашақты қолжетімді болады. Жоба нәтижесінде алынатын генетикалық ресурстар әсіресе қазақстандық бидай селекционерлері мен ғалымдары үшін өте пайлады, өйткені төрт гермплазмалық панельдердің әрқайсысын қолдана отырып, олар туыстығы жоғары жергілікті сорттарды будандастыру арқылы бұрын ажырата алмаған генетикалық факторларды анықтауға мүмкіндік алады. Ал, генетикалық карталар сол маңызды белгілердің генетикалық факторларын бидай геномына генетикалық карталауға мүмкіндік береді.
Основными результатами проекта станут четыре бипарентальных популяции для казахстанской пшеницы, состоящие в общей сложности из 384 генотипов, и их индивидуальные генетические карты, состоящие из 35 000 SNP ДНК-маркеров, разработанные в ходе реализации проекта. Как ресурсы растений, так и набор генетических данных будут доступны для местных и международных селекционеров пшеницы и ученых. Они особенно полезны для казахстанских селекционеров пшеницы и ученых, поскольку каждая из четырех панелей гермоплазмы позволит им точно определить важные генетические факторы, которые они не смогли выделить путем скрещивания близкородственных местных сортов пшеницы. Генетические карты предоставят прекрасную возможность для картирования этих генетических факторов важных признаков на геномом пшеницы.
Project Manager:
Kanat Yermekbayev, PhD, Head of the Molecular Genetics and Genomics Laboratory.
Канат Ермекбаев, PhD, Молекулалық Генетика және Геномика Зертханасының меңгерушісі.
Канат Ермекбаев, PhD, заведующий лабораторией молекулярной генетики и геномики.
Полученные результаты и новизна
During the year 2022, all experiments were completed to grow F6 plants. In particular, the experiment was designed, CFR form was submitted, F5 plants were germinated and transplanted to grow them in the automated glasshouse in randomised blocks. Novelty and importance of these results are the new methods of generating the germplasm panel and its velocity. It could have taken entire two seasons (two years) if it was done in Kazakhstan without automated plant care facilities.
2022 жылы F6 өсімдіктерін өсіру бойынша күнтізбелік жоспарында берілген барлық тәжірибелер аяқталды. Атап айтқанда, эксперимент әзірленді, CFR формасы ұсынылды, F5 өсімдіктері рандомизацияланған блоктарда автоматтандырылған жылыжайда өсіру үшін өндіріліп, трансплантацияланды. Бұл нәтижелердің жаңалығы мен маңыздылығы – гермплазмалық панельді құрудың жаңа әдістері және оның жылдамдығы. Егер аталған эксперименттер автоматтандырылған өсімдіктерді күту қондырғыларынсыз Қазақстанда жүргізілсе, бұл бүкіл екі маусымды (екі жыл) алуы мүмкін еді.
В течение 2022 года были завершены все эксперименты, указанные в календарном плане реализации, по выращиванию растений F6. В частности, был разработан эксперимент, представлена форма CFR, растения F5 были проращены и пересажены для выращивания в автоматизированной теплице в рандомизированных блоках. Новизна и важность этих результатов заключаются в новых методах создания панели гермоплазмы и ее быстродействии. Это могло бы занять целых два сезона (два года), если бы все это делалось в Казахстане без автоматизированных средств ухода за растениями.