РЕФЕРАТ

 Cредняя (~1 т/га) урожайность пшеницы в Казахстане, является самой низкой в мире, и не изменилась со времен освоения целины (1950-60гг). 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.

Поэтому, целью этого грантового предложения является использование такой же генетической стратегии, 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. Поэтому, четыре сорта пшеницы из Казахстана были скрещены с пшеницей из Великобритании. В результате были созданы четыре бипарентальные популяции, состоявшие из 384 образцов. В каждой популяции было проведено пять циклов очистки РОС (Размножение из Одного Семени) обеспечивающих >94% гомозиготности с оставшимися >6% гетерозиготностью в F5 поколении. Это показывает, что предлагаемый проект имеет научный задел по теме данного проекта.

Поэтому, задачами данного грантового предложения являются:

1. Снизить уровень гетерозиготности >3% в каждой популяции.
2. Осуществить генетически фингерпритинг всех популяции.
3. Построить генетические карты высокой плотности для каждой популяции.

Эти поставленные задачи будут решаться в данном проекте следующим образом:

1. Уровень гетерозиготности каждой популяции будет снижен >3% c использованием метода РОС. Таким образом, каждая популяция будет подвергнута одному дополнительному раунду очистки РОС.
2. Каждая бипарентальная популяция будет генетически фингерпритирован на основе 35K AXIOM микрочипа для генотипирования. Перед генотипированием из F6 растений этих популяций будет выделена высококачественная ДНК.
3. Генетические карты высокой плотности для каждой популяции на основе 35 000 SNP ДНК-маркеров будут построены с использованием таких программ, как R, Phyton, PLINK и TASSEL.

Результаты этого проекта будут использованы в качестве основы для картирования QTL в следующем проекте.

ЦЕЛЬ

Выведение четырех бипарентальных популяций казахстанской пшеницы и построение их генетических карт высокой плотности для выявления и картирования типа генетической изменчивости, фиксированной в элитных селекционных пулах казахстанских селекционеров пшеницы.

ЗАДАЧИ

В количественной генетике перед идентификацией и картированием генов/геномных областей, которые имеют потенциал чтобы повысить урожайность, необходимо получить и построить рекомбинантные линии и их генетические карты соответственно. Это будет достигнуто за счет трех основных задачи:

1. Выведение/получение четырех бипарентальных рекомбинантных линий пшеницы с участием казахской пшеницы и их семенное размножение

Было использовано четыре коммерческих сорта пшеницы из Казахстана для скрещивания с британской пшеницей, чтобы получить бипарентальные популяции. Однако эти четыре популяции по-прежнему обладают более высоким показателем гетерозиготности, поскольку в каждой из них было проведено всего пять раундов очистки РОС. Чтобы снизить уровень гетерозиготности и зафиксировать >97% локусов, каждая популяция будет подвергнута одному дополнительному раунду очистки РОС в автоматических теплицах Центра Джона Иннеса (ЦДИ), Великобритания, во время этой предлагаемой работы. В том же году оборудование с контролируемой средой, доступное в ЦДИ, позволит снова вырастить эти популяции, чтобы размножить их семена, которые затем будут отправлены в Казахстан.

2. Генотипирование всех четырех бипарентальных популяций с использованием высокопроизводительный 35K AXIOM микрочипа пщеницы.

Во время выращивания растений для семенного размножения, с каждого генотипа (384 всего) будут собраны ткани молодых листьев на стадии раннего кущения для выделения качественной геномной ДНК. Как только качество и количество ДНК каждого образца будут стандартизированы, они будут отправлены в Бристольский университет для генотипирования с использованием 35 000 SNP ДНК-маркеров. Размноженные семена будут отправлены в Казахстан для дальнейшей генетической и полевой оценки для интеграции генотипических и фенотипических данных с целью поиска локусов, связанных с адаптацией и урожайностью в различных условиях Казахстана.

3. Построить генетических карт высокой плотности.

Перед интеграцией генотипических и фенотипических данных необходимо построить генетическую карту. Таким образом, генетические карты являются важным инструментом для картирования генов. Однако генетические карты нельзя сразу использовать в генетическом анализе. Крайне важно тщательно проверить их точность, например, упорядочить маркеры, исключить дублированные генотипы и маркеры, прежде чем интегрировать их в генетический анализ.

Учитывая многолетний опыт научного консультанта и заявителя в области генетики пшеницы, успешная реализация предлагаемого научного проекта вполне очевидна. В целом, данный проект позволит разработать важнейшие генетические и растительные ресурсы казахской пшеницы, которые станут общественным ресурсом для использования местными и международными генетиками и селекционерами пшеницы.

Ожидаемые результаты

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.

1) публикация статей в зарубежных рецензируемых научных журналах

Две статьи будут опубликованы в журналах с импакт-фактором Q1, Q2 и Q3 в Web of Science или с процентилем не менее 50 по CiteScore в Scopus.

Первая статья будет посвящена построению генетических карт конкретно для казахстанской пшеницы при одновременном сравнении и сопоставлении основных генетических аспектов, таких как степень рекомбинации и дупликации внутри и между популяциями.

Во второй статье будет обсуждаться генетическое и фенотипическое разнообразие внутри и между популяциями, а также сравнение с другими панелями пшеницы, такими как ИЛ, разработанными заявителем во время его докторского исследования, которое было посвящено пониманию генетического контроля адаптации и урожайности казахстанской пшеницы.

2) опубликование монографий, книг и (или) глав в книгах зарубежных и (или) казахстанских издательств;

не планируется

3) получение патентов в зарубежных патентных бюро (европейском, американском, японском), в казахстанском или евразийском патентном бюро;

не планируется

4) разработка научно-технической, конструкторской документации;

не планируется

5) распространение результатов работ среди потенциальных пользователей, сообщества ученых и широкой общественности;

Как ресурсы растений, так и набор генетических данных, разработанные в рамках предлагаемого проекта, будут доступны для местных и международных селекционеров пшеницы и ученых. Эти генетические ресурсы заложат основу для многих будущих исследований, направленных на создание новых улучшенных сортов пшеницы в Казахстане.

6) другие измеримые результаты в соответствии с требованиями конкурсной документации и особенностями проекта. Дополнительно в разделе указываются:

1) область применения и целевые потребители каждого из ожидаемых результатов;

Мы считаем, что аллели фиксированных генов в генофонде казахстанской пшеницы должны обнаруживаться в этих четырех бипарентальныхх популяциях, так как они выводились в результате скрещивания пшениц, адаптированных к различным условиям выращивания. Таким образом, они особенно полезны для казахстанских селекционеров пшеницы, поскольку каждая популяция позволит им точно определить важные генетические факторы, которые они не смогли выделить путем скрещивания близкородственных местных сортов пшеницы.

Генетические карты, в свою очередь, предоставят казахстанским генетикам пшеницы прекрасную возможность идентифицировать и картировать эти генетические факторы важных признаков в геномом пшеницы. Поэтому будущие исследования, основанных на результатах этой работы, будут использовать разработанные ресурсы гермоплазмы и их генетические данные для изучения ассоциации маркеров и признаков в казахстанской пшенице на основе методов количественной генетики.

2) влияние ожидаемых результатов на развитие основного научного направления и смежных областей науки и технологий;

Помимо местных и международных генетиков и селекционеров пшеницы, следующими потенциальными потребителями результатов проекта будут студенты бакалавры, магистратуры и докторантуры. Им будут полезны готовые к использованию растительные материалы и их генетические карты. Таким образом, существует большой потенциал того, что результаты проекта, по-видимому, будут способствовать развитию ИЛ (изогенных линий) и ВАК (вложенных ассоциационных картирующих (nested association)) популяций посредством этих магистерских и докторских исследований, что важно для подготовки генетиков пшеницы следующего поколения в стране. Если проект получит финансирование, он впервые поддержит развитие популяций ВАК с привлечением коммерческих сортов пшеницы из Казахстана.

3) применимость и (или) возможность коммерциализации полученных научных результатов;

Результаты проекта могут быть коммерциализированы после выпуска новых улучшенных сортов пшеницы.

4) социальный, экономический, экологический, научно-технический, мультипликативный и (или) иной эффект результатов проекта с обоснованием;

В краткосрочной перспективе результаты проекта повлияют на мнение казахстанских селекционеров пшеницы об использовании более сложных стратегий скрещивания и селекции, от которых они могли бы извлечь выгоду. В долгосрочной перспективе может быть прямое влияние сочетания традиционных методов селекции с геномной селекцией в Казахстане.

В совокупности, генетические знания, полученные в ходе этого и будущих проектов, основанные на результатах текущего исследования, должны способствовать оказанию положительного экономического и социального воздействия посредством селекции растений и подготовки генетиков пшеницы нового поколения в Казахстане.

5) другие прямые и косвенные результаты проекта с указанием их качественных и количественных характеристик.

Важность компьютеризированных биологии или современных методов селекции растений нового поколения для улучшения растений будет популяризирован среди селекционеров пшеницы, студентов университетов и школьников в Казахстане путем организации курсов и семинаров с практическими занятиями. Подробнее об этом см. в разделе 3 «Научная новизна и значимость проекта».