References

vavilov

Вавиловский журнал генетики и селекции

Vavilov Journal of Genetics and Breeding

2500-3259

Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS

10.18699/vjgb-26-20

vavilov-5193

Research Article

ГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙ

PLANT GENETICS

Исследования генетического разнообразия и геномов мискантуса для оптимизации их биотехнологического потенциала

Research on genetic diversity and genomes of Miscanthus for optimizing their biotechnological potential

https://orcid.org/0000-0002-2724-5441

Чадаева

И. В.

Chadaeva

I. V.

Новосибирск

Novosibirsk

ichadaeva@bionet.nsc.ru

https://orcid.org/0009-0003-0918-8441

Каретников

Д. И.

Karetnikov

D. I.

Новосибирск

Novosibirsk

https://orcid.org/0000-0002-3011-6288

Пронозин

А. Ю.

Pronozin

A. Yu.

Новосибирск

Novosibirsk

https://orcid.org/0009-0009-3677-7333

Стародубцева

Э. С.

Starodubtseva

E. S.

Новосибирск

Novosibirsk

https://orcid.org/0009-0004-0738-5625

Омельянчук

Н. А.

Omeljanchuk

N. A.

Новосибирск

Novosibirsk

https://orcid.org/0000-0003-3151-5181

Кочетов

А. В.

Kochetov

A. V.

Новосибирск

Novosibirsk

https://orcid.org/0000-0001-9738-1409

Афонников

Д. А.

Afonnikov

D. A.

Новосибирск

Novosibirsk

Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Cytology and Genetics of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation

2026

24072026

304593600

2026

Чадаева И.В., Каретников Д.И., Пронозин А.Ю., Стародубцева Э.С., Омельянчук Н.А., Кочетов А.В., Афонников Д.А.

Chadaeva I.V., Karetnikov D.I., Pronozin A.Y., Starodubtseva E.S., Omeljanchuk N.A., Kochetov A.V., Afonnikov D.A.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/5193

Представленный обзор посвящен интеграции геномных подходов в изучение растений рода Miscanthus. Мискантусы представляют собой многолетние травы, перспективные для создания энергетических культур, характеризующихся высокой продуктивностью биомассы, устойчивостью к абиотическим стрессам и низкими требованиями к агротехнологиям. Рассматриваются методы анализа генетического разнообразия, полногеномные сборки, а также современные достижения в расшифровке молекулярно-генетических механизмов, определяющих продуктивность и стрессоустойчивость, с целью применения их в селекции. Приведены данные по полногеномным сборкам ключевых видов – M. sinensis (Msi), M. sacchariflorus (Msa), M. floridulus (Mfl) и M. lutarioriparius (Mlu) – с использованием различных технологий (Illumina, PacBio, Oxford Nanopore, Hi-C). Геномные исследования выявили сложную эволюцию рода, включающую палеоаллополиплоидию, хромосомные слияния и дупликации, что обусловливает высокое генетическое разнообразие у этих видов. Полные хромосомные сборки геномов их стали основой для сравнительной геномики, установления таксономических отношений (включая признание Mlu подвидом Msa, а Mfl – подтипом Msi) и изучения синтении с родственными культурами, такими как сорго. Полученная информация о геноме мискантусов позволяет с высокой полнотой и точностью идентифицировать набор генов, целевых для селекции по наиболее важным биотехнологическим признакам. В то же время коммерческий гибрид M. × giganteus (M×g) характеризуется крайне низким уровнем генетического полиморфизма, что делает его уязвимым к патогенам и климатическим колебаниям. Совокупность данных о генетическом полиморфизме, филогеографии и функциональной аннотации геномов открывает возможности для создания новых, продуктивных и экологически безопасных сортов мискантуса через межвидовые скрещивания, модификацию плоидности и генную инженерию. Эти достижения способствуют оптимизации биотехнологического потенциала мискантусов в производстве биотоплива и других биоматериалов, а также восстановлению деградированных земель.

Plants of the genus Miscanthus are a promising perennial energy crop, combining high biomass productivity, resistance to abiotic stress, and low agricultural technology requirements. This review summarizes recent advances in genomic and transcriptomic studies of the molecular genetic mechanisms underlying the economically valuable traits of Miscanthus. Data on whole-genome assemblies of key species – M. sinensis (Msi), M. sacchariflorus (Msa), M. floridulus (Mfl), and M. lutarioriparius (Mlu) – are presented using various technologies (Illumina, PacBio, Oxford Nanopore, Hi-C). Genomic studies have revealed the complex evolution of the genus, including paleoallopolyploidy, chromosomal fusions, and duplications, which accounts for the high genetic diversity of these species. Their genome assemblies at the complete chromosome level have become the basis for comparative genomics, establishing taxonomic relationships (including the recognition of Mlu as a subspecies of Msa and Mfl as a subtype of Msi), and studying synteny with related crops such as sorghum. The information on the Miscanthus genome allows for the complete and accurate identification of a set of genes targeting breeding for the most important biotechnological traits. At the same time, the commercial hybrid M. × giganteus (M × g) is characterized by extremely low levels of genetic polymorphism, making it vulnerable to pathogens and climate fluctuations. The integration of genetic polymorphism data, phylogeography, and functional annotation of genomes opens up opportunities for the development of new, productive, and environmentally friendly Miscanthus varieties through interspecific crossings, ploidy modification, and genetic engineering. These advances contribute to the optimization of the biotechnological potential of Miscanthus for the production of biofuels and other biomaterials and the restoration of degraded lands.

мискантус (Miscanthus)селекция новой сельскохозяйственной культурысеквенирование RNAseqтранскриптомыгенетическое разнообразиеустойчивость к факторам стрессамаркерыбазы данныхбиотопливобиотехнологии и промышленность

Miscanthusnew agricultural crop breedingRNAseq sequencingtranscriptomegenetic diversitystress tolerancemarkersdatabasesbiofuelsbiotechnology and industry

This work was supported by the state budget project FWNR-2025-0032.

References1

Andrić S., Knežević G., Maletić S., Rončević S., Isakovski M.K., Zeremski T., Beljin J. An experimental assessment of Miscanthus × giganteus for landfill leachate treatment: a case study of the grebača landfill in obrenovac. Processes. 2025;13(3):768. doi 10.3390/pr13030768

Brosse N., Dufour A., Meng X.Z., Sun Q.N., Ragauskas A. Miscanthus: a fast-growing crop for biofuels and chemicals production. Biofuels Bioprod Biorefin. 2012;6(5):580-598. doi 10.1002/bbb.1353

Cappelletto P., Mongardini F., Barberi B., Sannibale M., Brizzi M., Pignatelli V. Papermaking pulps from the fibrous fraction of Miscanthus × giganteus. Ind Crop Prod. 2000;11(2-3):205-210. doi 10.1016/S0926-6690(99)00051-5

Chen Y.X., Yu Q. Surface modification of miscanthus fiber with hydrophobic silica aerogel for high performance bio-lightweight concrete. Constr Build Mater. 2024;411:134478. doi 10.1016/j.conbuildmat.2023.134478

Chen Z., He Y., Iqbal Y., Shi Y., Huang H., Yi Z. Investigation of genetic relationships within three Miscanthus species using SNP markers identified with SLAF-seq. BMC Genomics. 2022;23(1):43. doi 10.1186/s12864-021-08277-8

Cichorz S., Gośka M., Litwiniec A. Miscanthus: genetic diversity and genotype identification using ISSR and RAPD markers. Mol Biotechnol. 2014;56(10):911-924. doi 10.1007/s12033-014-9770-0

Clark L.V., Stewart J.R., Nishiwaki A., Toma Y., Kjeldsen J.B., Jørgensen U., Zhao H., Peng J., Yoo J.H., Heo K., Yu C.Y., Yamada T., Sacks E.J. Genetic structure of Miscanthus sinensis and Miscanthus sacchariflorus in Japan indicates a gradient of bidirectional but asymmetric introgression. J Exp Bot. 2015;66(14):4213-4225. doi 10.1093/jxb/eru511

Clark L.V., Jin X., Petersen K.K., Anzoua K.G., Bagmet L., Chebukin P., Deuter M., … Yamada T., Yoo J.H., Yu C.Y., Long S.P., Sacks E.J. Population structure of Miscanthus sacchariflorus reveals two major polyploidization events, tetraploid-mediated unidirectional introgression from diploid M. sinensis, and diversity centred around the Yellow Sea. Ann Bot. 2019;124(4):731-748. doi 10.1093/aob/mcy161

Clifton-Brown J., Hastings A., Mos M., McCalmont J.P., Ashman C., Awtycarroll D., Flavell R. Progress in upscaling Miscanthus biomass production for the European bio-economy with seed-based hybrids. Glob Change Biol Bioenergy. 2017;9(1):6-17. doi 10.1111/gcbb.12357

Debode J., De Tender C., Cremelie P., Lee A.S., Kyndt T., Muylle H., De Swaef T., Vandecasteele B. Trichoderma-inoculated miscanthus straw can replace peat in strawberry cultivation, with beneficial effects on disease control. Front Plant Sci. 2018;9:213. doi 10.3389/fpls.2018.00213

De Vega J., Donnison I., Dyer S., Farrar K. Draft genome assembly of the biofuel grass crop Miscanthus sacchariflorus [version 1; peer review: 2 approved]. F1000Res. 2021;10:29. doi 10.12688/f1000research.44714.1

Dorogina O.V., Kuban I.N., Zueva G.A., Zhmud E.V., Vasilyeva O.Yu. Morphological variability and genetic structure of Miscanthus sinensis (Poaceae) cultivated in the forest-steppe of Western Siberia. Vavilov J Genet Breed. 2025;29(2):210-218. doi 10.18699/vjgb-25-24

Grzegórska A., Czaplicka N., Antonkiewicz J., Rybarczyk P., Baran A., Dobrzyński K., Zabrocki D., Rogala A. Remediation of soils on municipal rendering plant territories using Miscanthus × giganteus. Environ Sci Pollut Res Int. 2023;30(9):22305-22318. doi 10.1007/s11356-022-23724-z

Hodkinson T.R., Klaas M., Jones M.B., Prickett R., Barth S. Miscanthus: a case study for the utilization of natural genetic variation. Plant Genet Resour. 2015;13(3):219-237. doi 10.1017/S147926211400094X

Jury C., Thomas H.L., Carrère H. Life cycle assessment of two alkaline pretreatments of sorghum and miscanthus and of their batch co-digestion with cow manure. BioEnerg Res. 2022;15:810-833. doi 10.1007/s12155-021-10369-y

Li S.‐S., Zhou H.‐F., Chen W.‐L., Yan J., Cai Z., Wei R.‐X., Chen C.‐H., Han B., Li J.‐Q., Sang T., Ge S. Population genetics and evolutionary history of Miscanthus species in China. J Syst Evol. 2019;57(5):530-542. doi 10.1111/jse.12497

Li W., Ciais P., Makowski D., Peng S. A global yield dataset for major lignocellulosic bioenergy crops based on field measurements. Sci Data. 2018;5:180169. doi 10.1038/sdata.2018.169

Liu H., Wu S., Li A., Ruan J. SMARTdenovo: a de novo assembler using long noisy reads. GigaByte. 2021;2021:gigabyte15. doi 10.46471/gigabyte.15

Ma X.-F., Jensen E., Alexandrov N., Troukhan M., Zhang L., Thomas-Jones S., Farrar K., Clifton-Brown J., Donnison I., Swaller T., Flavell R. High resolution genetic mapping by genome sequencing reveals genome duplication and tetraploid genetic structure of the diploid Miscanthus sinensis. PLoS One. 2012;7(3):e33821. doi 10.1371/journal.pone.0033821

Mamirova A., Pidlisnyuk V., Amirbekov A., Ševců A., Nurzhanova A. Phytoremediation potential of Miscanthus sinensis And. in organochlorine pesticides contaminated soil amended by Tween 20 and Activated carbon. Environ Sci Pollut Res Int. 2021;28(13):16092-16106. doi 10.1007/s11356-020-11609-y

Miao J., Feng Q., Li Y., Zhao Q., Zhou C., Lu H., Fan D., … Huang T., Li L., Huang X., Sang T., Han B. Chromosome-scale assembly and analysis of biomass crop Miscanthus lutarioriparius genome. Nat Commun. 2021;12(1):2458. doi 10.1038/s41467-021-22738-4

Mironova G.F., Budaeva V.V., Skiba E.A., Gismatulina Y.A., Kashcheyeva E.I., Sakovich G.V. Recent advances in Miscanthus macromolecule conversion: a brief overview. Int J Mol Sci. 2023;24(16):13001. doi 10.3390/ijms241613001

Mitros T., Session A.M., James B.T., Wu G.A., Belaffif M.B., Clark L.V., Shu S., … Hudson M.E., Sacks E.J., Moose S.P., Swaminathan K., Rokhsar D.S. Genome biology of the paleotetraploid perennial biomass crop Miscanthus. Nat Commun. 2020;11(1):5442. doi 10.1038/s41467-020-18923-6

Nagel K., Hoilett N.O., Mottaleb M.A., Meziani M.J., Wistrom J., Bellamy M. Physicochemical characteristics of biochars derived from corn, hardwood, miscanthus, and horse manure biomasses. Commun Soil Sci Plant Anal. 2019;50(8):987-1002. doi 10.1080/00103624.2019.1594881

Nie G., Zhang X.Q., Huang L.K., Xu W.Z., Wang J.P., Zhang Y.W., Ma X., Yan Y.H., Yan H.D. Genetic variability and population structure of the potential bioenergy crop Miscanthus sinensis (Poaceae) in southwest china based on SRAP markers. Molecules. 2014;19(8): 12881-12897. doi 10.3390/molecules190812881

Nsanganwimana F., Al Souki K.S., Waterlot C., Douay F., Pelfrêne A., Ridošková A., Louvel B., Pourrut B. Potentials of Miscanthus × giganteus for phytostabilization of trace element-contaminated soils: ex situ experiment. Ecotoxicol Environ Saf. 2021;214:112125. doi 10.1016/j.ecoenv.2021.112125

Rayburn A.L., Crawford J., Rayburn C.M., Juvik J.A. Genome size of three Miscanthus species. Plant Mol Biol Rep. 2009;27:184-188. doi 10.1007/s11105-008-0070-3

Sanford G.R., Oates L.G., Jasrotia P., Thelen K.D., Robertson G.P., Jackson R.D. Comparative productivity of alternative cellulosic bioenergy cropping systems in the North Central USA. Agric Ecosyst Environ. 2016;216:344-355. doi 10.1016/j.agee.2015.10.018

Sang T., Zhu W. China’s bioenergy potential. Glob Change Biol Bioenergy. 2011;3(2):79-90. doi 10.1111/j.1757-1707.2010.01064.x

Schäfer J., Sattler M., Iqbal Y., Lewandowski I., Bunzel M. Characterization of Miscanthus cell wall polymers. Glob Change Biol Bioenergy. 2019;11(1):191-205. doi 10.1111/gcbb.12538

Shavyrkina N.A., Budaeva V.V., Skiba E.A., Gismatulina Y.A., Sakovich G.V. Review of current prospects for using miscanthus-based polymers. Polymers. 2023;15(14):3097. doi 10.3390/polym15143097

Simão F.A., Waterhouse R.M., Ioannidis P., Kriventseva E.V., Zdobnov E.M. BUSCO: assessing genome assembly and annotation completeness with single-copy orthologs. Bioinformatics. 2015;31(19): 3210-3212. doi 10.1093/bioinformatics/btv351

Simpson J.T., Wong K., Jackman S.D., Schein J.E., Jones S.J.M., Birol İ. ABySS: a parallel assembler for short read sequence data. Genome Res. 2009;19(6):1117-1123. doi 10.1101/gr.089532.108

Stanke M., Steinkamp R., Waack S., Morgenstern B. AUGUSTUS: a web server for gene finding in eukaryotes. Nucleic Acids Res. 2004;32:W309-W312. doi 10.1093/nar/gkh379

Sun Q., Lin Q., Yi Z.L., Yang Z.R., Zhou F.S. A taxonomic revision of Miscanthus s.l. (Poaceae) from China. Bot J Linn Soc. 2010;164(2): 178-220. doi 10.1111/j.1095-8339.2010.01082.x

Swaminathan K., Chae W.B., Mitros T., Varala K., Xie L., Barling A., Glowacka K., Hall M., Jezowski S., Ming R., Hudson M., Juvik J.A., Rokhsar D.S., Moose S.P. A framework genetic map for Miscanthus sinensis from RNAseq-based markers shows recent tetraploidy. BMC Genomics. 2012;13:142. doi 10.1186/1471-2164-13-142

Técher D., Martinez-Chois C., Laval-Gilly P., Henry S., Bennasroune A., D’Innocenzo M., Falla J. Assessment of Miscanthus × giganteus for rhizoremediation of long term PAH contaminated soils. Appl Soil Ecol. 2012;62:42-49. doi 10.1016/j.apsoil.2012.07.009

Trieu A., Belaffif M.B., Hirannaiah P., Manjunatha S., Wood R., Bathula Y., Billingsley R.L., Arpan A., Sacks E.J., Clemente T.E., Moose S.P., Reichert N.A., Swaminathan K. Transformation and gene editing in the bioenergy grass Miscanthus. Biotechnol Biofuels Bioprod. 2022;15:148. doi 10.1186/s13068-022-02241-8

Van Weyenberg S., Ulens T., de Reu K., Zwertvaegher I., Demeyer P., Pluym L. Feasibility of Miscanthus as alternative bedding for dairy cows. Vet Med. 2016;60(3):121-132. doi 10.17221/8059-VETMED

Wang C., Kong Y., Hu R., Zhou G. Miscanthus: a fast-growing crop for environmental remediation and biofuel production. Glob Change Biol Bioenergy. 2021;13(1):58-69. doi 10.1111/gcbb.12761

Yan H., Zhang X., Fu C., Huang L., Yin G., Nie G., Liu W., Chen T., Lee S., Ma X., Peng Y., Yan Y., Ling Y., Liu W. Chloroplast DNA variation and genetic structure of Miscanthus sinensis in southwest China. Biochem Syst Ecol. 2015;58:132-138. doi 10.1016/j.bse.2014.11.007

Yang Y., Saand M.A., Huang L., Abdelaal W.B., Zhang J., Wu Y., Li J., Sirohi M.H., Wang F. Applications of multi-omics technologies for crop improvement. Front Plant Sci. 2021;12:563953. doi 10.3389/fpls.2021.563953

Zhang G., Ge C., Xu P., Wang S., Cheng S., Han Y., Wang Y., … Ming R., Dong S., Ma J., Zhang X., Chen C. The reference genome of Miscanthus floridulus illuminates the evolution of Saccharinae. Nat Plants. 2021;7(5):608-618. doi 10.1038/s41477-021-00908-y

Zhao H., Wang B., He J., Yang J., Pan L., Sun D., Peng J. Genetic diversity and population structure of Miscanthus sinensis germplasm in China. PLoS One. 2013;8(10):e75672. doi 10.1371/journal.pone.0075672

The authors declare that there are no conflicts of interest present.