Сайт-направленный мутагенез посредством генетических конструкций, несущих систему CRISPR/Cas, считается эффективной технологией, активно применяемой для решения самых разных задач генетики и селекции у многих возделываемых культур. Зерновое сорго – уникальная по своей засухоустойчивости и жаростойкости злаковая культура, служащая источником кормов и пищевого зерна в аридных регионах земного шара, приобретающая все большее значение в условиях глобального потепления климата. Одной из основных задач селекции сорго явля ется улучшение сравнительно низкой питательной ценности зерна, обусловленной в том числе устойчивостью его запасных белков – кафиринов – к протеолитическому расщеплению. Нами ранее путем использования технологии CRISPR/Cas у зернового сорго сорта Аванс были получены мутанты с улучшенной перевариваемостью кафиринов в системе in vitro. При этом в качестве мишени был выбран один из членов генного семейства, кодирующего 22 кДа α-кафирин, а именно ген k1C5. Цель данного исследования – изучение потомства полученных нами ранее растений, несущих мутации в гене k1C5, отличающихся улучшенной перевариваемостью белков зерна в системе in vitro, а имен но: анализ наследования высокой перевариваемости, проявления основных селекционно ценных признаков, а также выявление структуры нуклеотидной последовательности, кодирующей сигнальный полипептид 22 кДа α-кафирина у ряда растений из поколения Т₀ и их потомства T₁. Обнаружено, что у четырех из шести изученных растений Т₀, а также у их потомства присутствует одна и та же мутация: замена Т→С в 23-й позиции нуклеотидной последователь ности гена k1C5, кодирующей сигнальный полипептид, которая привела к замене кодирующего триплета CTC→CCC (Leu→Pro). Эта мутация располагается за пределами выбранной мишени, в направлении 3’ от последовательности PAM. Высказывается предположение, что данная мутация могла возникнуть в результате ошибок нуклеазы Cas9, обу словленных наличием нескольких последовательностей PAM, расположенных близко друг к другу. Установлено, что потомство двух из трех изученных мутантов (семьи T₂ и Т₃), выращенное в условиях опытного поля, отличалось от исходного сорта сниженной высотой растения (на 12.4–15.5 %). Длина цветоножки, масса 1000 зерен и масса зерна с метелки не отличались от исходного сорта, за исключением потомства мутанта 2С-1.2.5b, у которого урожай зерна с метелки был снижен. В отличие от исходного сорта, у растений из поколений Т₂ и Т₃ присутствовали зерновки с модифицированным типом эндосперма (полностью мучнистым, либо с вкраплениями стекловидного эндосперма, либо с тонким стекловидным слоем). Уровень перевариваемости белков зерна в потомстве мутантов 2С-2.1.1 № 13 и 2С-1.2.5a № 14 варьировал от 77 до 84 %, значимо превышая показатель исходного сорта (63.4 ± 2.3 %, p < 0.05). Уровень перевариваемости белков из зерновок с модифицированным эндоспермом был выше, чем у зерновок с обычным стекловидным эндоспермом (84–93 %, p < 0.05). Обсуждаются причины варьирования текстуры эндоспер ма у потомства полученных мутантов и ее связь с высокой перевариваемостью кафиринов.

РНК-интерференция – мощный инструмент для генного сайленсинга, благодаря чему используется при разработке новых подходов с большим потенциалом для защиты растений от вирусов, насекомых и других патогенов. Как правило, в таких системах геном растений подвергается модификациям с целью синтеза двуцепочечных РНК (дцРНК), необходимых для РНК-интерференции и последующего сайленсинга непосредственно в растительных клетках. Однако с учетом законодательства Российской Федерации такой подход не может использоваться на сельскохозяйственных растениях, что делает невозможным его применение при условии синтеза дцРНК самим растением. Применение экзогенно синтезированной дцРНК может стать пер спективным способом защиты растений, так как позволяет избежать создания генетически модифицированных организмов и внедрить полученную разработку в сельском хозяйстве. Также экзогенные дцРНК имеют преимущество по сравнению с химикатами (фунгицидами, инсектицидами и т. д.), используемыми для защиты растений, так как дцРНК действуют посредством своей специфической нуклеотидной последовательности, что делает описанный подход крайне избирательным к патогену и безопасным для других организмов. В совокупности вышеперечисленные факторы делают методы РНК-интерференции весьма перспективными для применения в сельском хозяйстве с целью защиты растений, поэтому встает вопрос о крупномасштабном синтезе экзогенных молекул дцРНК, специфичных к определенному патогену, и выборе оптимального способа их доставки для достижения защитного эффекта. Целью настоящей работы является сайленсинг гена фитоендесатуразы табака Бентхама (Nicotiana benthamiana) с применением экзогенно синтезированной дцРНК. Ген фитоендесатуразы – очень удобная модель в экспериментах по регуляции генной активности, так как его сайленсинг сопровождается ярким фенотипическим проявлением в виде побеления листьев. Синтез дцРНК осуществляли in vivo в клетках Escherichia сoli; в качестве способа доставки выбрана корневая обработка через полив растения – максимально простые и доступные манипуляции. Предполагается, что предложенный подход может быть масштабирован и адаптирован для защиты растений в сельском хозяйстве с помощью методов, в основе которых лежит РНК-интерференция.

Методы обратной генетики активно используются в биологии растений для изучения функций генов, ответственных за адаптацию растений к различным стрессовым факторам окружающей среды. Данная работа посвящена получению и первичному анализу трансгенных растений мягкой пшеницы с подавленной экспрессией одного из генов алленоксидсинтазы (АОS). АОS является ключевым ферментом, участвующим в начальном этапе биосинтеза стрессовых фитогормонов, известных как жасмонаты. Для подавления экспрессии гена АОS в пшенице создан вектор для РНК-интерференционного замалчивания, содержащий инвертированную область TaAOS2 из генома яровой мягкой пшеницы сорта Chinese Spring. Путем биобаллистической генетической трансформации получен ряд трансгенных растений Chinese Spring, в которых подавление экспрессии целевого гена подтверждено с помощью количественной ПЦР в режиме реального времени, а изменение уровней накопления отдельных жасмонатов выявлено методом газохромато масс-спектрометрии. В стрессовых условиях (механическое поранение листовой пластинки молодых растений) трансгенные dsRNAi линии накапливали лишь 21–44 % мРНК TaAOS2 по сравнению с нетрансгенным пораненным контролем пшеницы. Подавление экспрессии гена TaAOS2 существенно снизило накопление жасмоновой кислоты и конъюгата жасмоноил-изолейцина, в то время как уровень содержания в листьях других фитогормонов, таких как абсцизовая кислота и салициловая кислота, не изменился. Трансгенные линии пшеницы с подавленной экспрессией гена TaAOS2 демонстрировали уменьшение длины листьев на ранних стадиях развития растений; также для них была характерна тенденция к сокращению высоты растений и снижению массы зерна. При этом замалчивание не привело к изменению сроков цветения и не повлияло на фертильность растений, так как среднее количество семян в колосе не изменилось. Полученные трансгенные линии пшеницы в сочетании с линиями, сверхэкспрессирующими АОS, служат хорошим инструментом для дальнейшего детального анализа адаптивных реакций растений, контролируемых жасмонатным сигналингом.

Создание хромосомно-замещенных линий, содержащих одну пару хромосом родственного вида, является одним из способов интрогрессии чужеродного генетического материала. Известно, что частота встречаемости замещений по разным хромосомам генома различается по причине избирательности процесса трансмиссии чужеродных хромосом через гаметы гибридов. Использование моносомных линий с идентифицированными унивалентными хромосомами и молекулярно-генетических SSR-маркеров на стадии проростков позволило осуществить быстрый скрининг идентичности чужеродной хромосомы у беккроссных гибридов, что значительно ускорило и облегчило процесс беккроссирования при создании новых хромосомно замещенных линий хлопчатника. В ходе изучения процесса передачи хромосомы 2 А_t-субгенома хлопчатника Gossypium barbadense L. при беккроссировании четырех исходных моносомных линий вида G. hirsutum L. моносомными беккроссными гибридами с замещением хромосомы 2 А_t-субгенома были выявлены: снижение скрещиваемости, завязываемости и всхожести гибридных семян; отличия в частоте и характере передачи хромосомы 2 A_t-субгенома хлопчатника G. barbadensе; регулярность поведения хромосом в мейозе и высокий мейотический индекс; значительное снижение фертильности пыльцы у беккроссных моносомных гибридов BC₁F₁; специфические морфобиологические особенности моносомных беккроссных растений в виде задержки развития вегетативных и генеративных органов, низкорослости и сниженной облиственности, а также слабой бутонизации и цветения в течение первого года вегетации. По-видимому, такие специфические изменения происходили вследствие реорганизации гибридного генома и интрогрессии чужеродного хроматина. Кроме того, была продемонстрирована эффективность использования молекулярно-генетических микросателлитных (SSR) маркеров для контролирования процессов беккроссирования и элиминации генетического материала донорной линии Pima 3-79 вида G. barbadense с целью отбора генотипов с чужеродным замещением хромосом.

Резистентность к фунгицидам является мировой проблемой, обуславливающей снижение их эффективности и срока действия вследствие изменения расового состава и вирулентности популяций фитопатогенов. В настоящее время зарегистрирована резистентность более чем у 230 грибных патогенов растений к 100 действующим веществам. Возбудитель карликовой ржавчины (Puccinia hordei Otth.) – один из распространенных и вредоносных в патокомплексе ячменя, в Южном федеральном округе, фиксируется на посевах ежегодно. Исследований по влиянию фунгицидов на характеристики популяции ржавчинных грибов крайне мало, а в отношении P. hordei в России не проводилось. Цель данной работы – проанализировать влияние фунгицидов из химических классов триазолов и стробилуринов на внутрипопуляционные изменения P. hordei по показателям патогенности (вирулентности и агрессивности) в условиях Северо-Кавказского региона России. Для исследования были выбраны двухкомпонентные фунгициды, разрешенные к применению на территории Российской Федерации: Деларо, КС; Амистар Экстра, СК; Амистар Голд, СК. Обработку растений проводили с использованием нескольких норм применения препаратов: 50, 100, 150 и 200 % (рекомендуемая норма применения принята за 100 %). При обработке растений ячменя озимого фунгицидами с различной нормой применения выявлены внутрипопуляционные изменения в структуре P. hordei по вирулентности. Во всех вариантах с увеличением нормы применения фунгицидов происходили снижение частоты изолятов, вирулентных к генам Rph4, Rph5, Rph6+2, Rph12, и увеличение частоты изолятов, вирулентных к Rph14. Не обнаружено изолятов, вирулентных к Rph7, как в исходной популяции, так и в вариантах опыта. Средняя вирулентность популяций гриба, обработанных фунгицидами, во всех вариантах опыта была ниже по сравнению с вирулентностью исходной популяции (без обработки) (48.5 %) и в зависимости от нормы применения варьировала от 33.8 (Амистар Голд, 50 %) до 28. 5 % (Амистар Голд, 200 %). Под действием повышенных норм применения препаратов отмечено увеличение длительности латентного периода развития инфекции – от 168 ч (исходная популяция) до 216 ч (Деларо, Амистар Голд, 200 %). Под действием фунгицидов установлено снижение спорулирующей способности (масса спор с одной пустулы варьировала от 0.013 (исходная популяция) до 0.002 мг (Деларо, Амистар Голд, 200 %) и жизнеспособности P. hordei (от 100 % для исходной популяции до 22.5 % при обработке Амистар Голд, 200 %). Таким образом, популяция P. hordei, подвергавшаяся обработке фунгицидами, характеризуется внутрипопуляционными изменениями по показателям агрессивности и вирулентности, что может существенно увеличивать потери урожая ячменя вследствие как снижения эффективности химической защиты, так и повышения вредоносности патогена.

Стеблевая ржавчина, вызываемая грибом Puccinia graminis f. sp. tritici (Pgt), является вредоносным заболеванием, поражающим посевы зерновых культур. Традиционный способ борьбы с этим и другими инфекционными болезнями растений − использование химических средств защиты. В качестве их эффективной и безопасной альтернативы все чаще рассматриваются биопестициды, а также индукторы болезнеустойчивости растений, в частности на основе хитозана, производного хитина. Недавно разработана глобулярная форма хитозана − Новохизоль, имеющая ряд преимуществ и показавшая свою эффективность в предварительных полевых и лабораторных экспериментах. Однако в настоящее время отсутствуют работы, посвященные влиянию данного препарата на экспрессию генов защиты. Поэтому целью данной работы стали поиск генов, принимаю щих участие в реакции растений мягкой пшеницы Triticum aestivum L. на заражение стеблевой ржавчиной, и оценка влияния обработки препаратом Новохизоль на их транскрипцию в ходе инфекционного процесса. В качестве модели были задействованы линия пшеницы с геном устойчивости к стеблевой ржавчине Sr6 и два отобранных изолята Pgt для этой линии: авирулентный (Avr6) и вирулентный (vr6), позволяющие сопоставить эффекты препарата Новохизоль в зависимости от генетической совместимости в патосистеме растение−патоген. Для анализа уровня транскрипции генов защиты использовали листовой материал в различных временных точках, от 3 до 144 ч после инокуляции растений патогеном. Количественный ПЦР-анализ показал повышение уровня транскрипции генов CERK1, PR3, PR4, PR5, PR6 и PR9 у растений, обработанных изучаемым биопестицидом и инфицированных различными изолятами Pgt, по сравнению с необработанными инфицированными растениями. Полученные данные подтверждают, что одна из оптимальных стратегий повышения устойчивости зерновых культур к грибным патогенам с точки зрения экологической безопасности – сочетание методов селекции по генам специфической устойчивости с применением биологических средств защиты.

В ответ на стрессовое воздействие в геноме растения происходят эпигенетические модификации, вместе формирующие стрессовую память, которая может наследоваться и повышает эффективность защитной реакции растения на повторные стрессовые события. Гены, чья экспрессия становится мишенью эпигенетических модификаций, служат биомаркерами стрессовой памяти. Их характерными признаками считаются профиль экспрессии, различающийся между ответами на первичное и повторное стрессовые события, а также длительное удерживание изменений после отмены стресса. Томат (Solanum lycopersicum L.) – важная овощная культура, урожайность которой снижается при засолении почв. К генам, индуцируемым солевым стрессом, относятся гены транскрипционных факторов подсемейства DREB2 (DEHYDRATION-RESPONSIVE ELEMENT-BINDING PROTEIN 2). В настоящей работе проведена оценка генов SlDREB2 томата как возможных генов-маркеров памяти о солевом стрессе. Для этого в листьях растений двух сортов, Гном и Отрадный, с разной степенью солеустойчивости была определена экспрессия генов SlDREB16, 20, 22, 24, 43, 44 и 46 в ответ на 24-ч воздействие NaCl и в динамике продолжительного (14 дней) послестрессового периода восстановления. Выявлены значительные генотип специфичные колебания уровней транскриптов генов как в контроле, так и в подвергнутых стрессу растениях. Показано, что в процессе длительной фазы памяти экспрессия генов возвращается к контрольным показателям либо временно (SlDREB24, 44 и 46 у среднеустойчивого сорта Гном через 7 дней; через 14 дней экспрессия снова меняется), либо медленно (SlDREB16 и 43 у высокоустойчивого сорта Отрадный через 14 дней восстановления). Было определено, что только два гена, SlDREB22 и 46, имеют сходный между сортами паттерн колебаний экспрессии в динамике стресса и восстановления, а ген SlDREB20 не экспрессируется ни в контроле, ни в опыте. Полученные данные позволили предположить, что гены подсемейства SlDREB2, кроме SlDREB20, участвуют в ответе S. lycopersicum на солевой стресс генотип-специфичным образом и могут служить маркерами стрессовой памяти, сцепленными с эпигенетической регуляцией адаптации томата к солевому стрессу. Гены SlDREB16, 28, 43 и 44 могут вносить вклад в определение различий в механизме регуляции ответа растений на солевой стресс между солеустойчивыми генотипами S. lycopersicum. Полученные результаты могут стать основой для дальнейших исследований роли генов SlDREB2 в эпигенетической регуляции адаптации растений томата к солевому стрессу, что может быть использовано в селекции солеустойчивых сортов.

Изучение молекулярно-генетических механизмов реакций растений на специфические условия роста и стрессовые факторы – одно из приоритетных направлений исследований, нацеленных на создание новых сортов сельскохозяйственных культур, в частности риса и пшеницы. К числу таких факторов относятся абиотические стрессы (высокие или низкие температуры, засуха, засоление, загрязнение почвы металлами), биотические стрессы (патогены, вредители), а также реакции растений на регуляторные факторы (удобрения, гормоны, элиситоры и другие соединения). Современные исследования в области генетики растений основаны на понимании того, что формирование любых фенотипических характеристик (молекулярно-генетических, биохимических, физиологических, морфологических и др.) контролируется генными сетями – группами согласованно функционирующих генов, взаимодействующих через свои продукты (РНК, белки и метаболиты). Ранее с целью реконструкции генных сетей, значимых для биологии и биомедицины, нами была разработана интеллектуальная компьютерная система ANDSystem, предназначенная для автоматизированного извлечения знаний из текстов научных публикаций и баз данных. В настоящей работе, используя адаптированную версию ANDSystem для растений, мы создали базу знаний SmartCrop для решения задач, связанных с изучением молекулярно-генетических механизмов взаимодействий «генотип–фенотип–среда» для сельскохозяйственно ценных культур риса и пшеницы. SmartCrop предназначена для помощи исследователям в решении таких задач, как интерпретация результатов омиксных экспериментов на растениях: установление связей между наборами генов и биологическими процессами, фенотипическими признаками и др.; реконструкция генных сетей, описывающих отношения между молекулярно-генетическими объектами и понятиями в селекции, феномике, семеноводстве, фитопатологии; выявление регуляторных и сигнальных путей, ответных реакций растений на специфические условия роста и биотические и абиотические стрессы; прогнозирование генов-кандидатов для генотипирования; поиск маркеров для маркер-опосредованной селекции; выявление потенциальных мишеней (генов и белков) для субстанций, влияющих на растения (контролирующих процессы прорастания семян, вегетативного роста, эффективного поглощения питательных веществ и улучшения устойчивости к стрессовым факторам).

Возбудитель сетчатой пятнистости листьев ячменя Pyrenophora teres Drechs. f. teres (Ptt) относится к эпифитотийно опасным патогенам ячменя. Разработка генетической защиты от этой болезни – важное звено ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий возделывания ячменя. Для селекции на устойчивость к Ptt необходимы эффективные маркеры QTL, контролирующих как качественную, так и количественную устойчивость. При проведении полногеномного анализа (GWAS) нами выявлены образцы ячменя различного происхождения, SNP-гаплотипы которых ассоциировались с локусами устойчивости одновременно на разных хромосомах. Целью исследований была валидация SNP-маркеров локусов устойчивости к Ptt на хромосомах 3Н, 4Н и 6Н с использованием F₂ популяции от скрещивания шести устойчивых образцов к-5900, к-8829, к-8877, к-14936, к-30341 и к-18552 с восприимчивым сортом Tatum. Расщепление по устойчивости во всех комбинациях скрещиваний подтвердило наличие нескольких генетических детерминант устойчивости у изучаемых образцов. Для изучения полиморфизма родительских компонентов скрещиваний и соответствия фенотипа наличию/отсутствию маркера в расщепляющихся популяциях были разработаны праймеры со специфичным 3’-концом, CAPS- и KASP-маркеры. Значимая связь (p < 0.05) наличия CAPS маркера JHI-Hv50k-2016-391380 HindIII на хромосоме 6Н и фенотипа устойчивости к Ptt у растений F₂ выявлена в комбинациях скрещивания восприимчивого сорта Tatum с образцами к-5900, к-8829, к-8877 и к-18552; на хромосоме 4Н при фрагментном анализе значимая связь с фенотипом устойчивости в популяции F₂ с участием образца к-8877 выявлена для маркера JHI-Hv50k-2016-237924, образца к-5900 для маркера SCRI_RS_181886 и образца к-8829 для маркера JHI-Hv50k-2016-166356. Наличие QTL на хромосоме 6Н, контролирующего качественную устойчивость у четырех образцов ячменя, маскирует проявление других генов с меньшим фенотипическим проявлением, что и является причиной несоответствия фенотипа устойчивости и наличия молекулярного маркера в расщепляющихся популяциях. Доноры устойчивости и молекулярные маркеры с доказанной эффективностью могут быть использованы в MAS для создания устойчивых к возбудителю сетчатой пятнистости сортов ячменя.

Гуар (Cyamopsis tetragonoloba (L.) Taub) – бобовое растение короткого дня, возделывание которого в высоких широтах ограничено из-за его чувствительности к длинному фотопериоду, что негативно влияет на цветение и созревание этой новой индустриально значимой сельскохозяйственной культуры. У ее близкого родственника – сои – ген E₁ вовлечен в регуляцию процессов цветения в условиях длинного дня. В нашем исследовании естественное разнообразие гена CtE₁ (гомолога E₁)  проанализировано на выборке из 144 образцов гуара. Для этой цели ген CtE₁ был амплифицирован и секвенирован с использованием Illumina, в результате чего идентифицировано пять новых SNP в 5’- и 3’-нетранслируемых областях, а также в кодирующей части гена CtE₁. На основе выявленных SNP разработаны и протестированы пять KASP-маркеров, связанных с полиморфизмом целевого гена в изученной коллекции гуара. Один несинонимичный SNP был локализован в кодирующей области; этот полиморфизм приводит к консервативной аминокислотной замене Arg→Lys в кодируемом белке. Значимой связи между обнаруженными SNP и имеющимися данными об изменчивости сроков начала цветения или продолжительности вегетационного периода в выборке из 144 образцов не обнаружено. Полученные результаты свидетельствуют о том, что естественный нуклеотидный полиморфизм гена CtE₁, представленный в изученной коллекции образцов гуара, не оказывает существенного влияния на цветение и созревание растений. Ограниченное функциональное аллельное разнообразие, выявленное в гене CtE₁ гуара по сравнению с аллельным разнообразием гена E₁ у сои, вероятно, отражает различия в их эволюционной истории и различные направления искусственного отбора в процессе селекции.

Образцы дикой полбы Triticum dicoccoides обладают высоким содержанием белка и микроэлементов в зерне, но при скрещивании с сортами мягкой пшеницы гибридам наряду с ценными признаками могут передаваться и нежелательные свойства дикорастущего сородича (низкая урожайность, ломкость колоса, трудный обмолот). В рамках данного исследования изучена возможность улучшения современных сортов мягкой пшеницы по комплексу хозяйственно полезных признаков посредством использования линии пшеницы с генетическим материалом дикой полбы (л29), сочетающей высокую цитологическую стабильность с улучшенной питательной ценностью и продуктивностью. Исследовали гибриды F4–F5, полученные от скрещивания в прямом и обратном направлениях четырех сортов яровой мягкой пшеницы с л29. Фрагменты интрогрессии генетического материала T. dicoccoides выявляли с применением метода дифференциального окрашивания хромосом по Гимза (С-бэндинг) и генотипирования маркерами SSR. Оценку цитологической стабильности проводили на основе изучения поведения хромосом в микроспорогенезе. Содержание макро- (К, Р, Са, Mg) и микроэлементов (Zn, Fe, Cu, Mn) в зерне определяли методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой; показатели качества зерна – на анализаторе «Инфра ЛЮМ ФТ-12». Данные C-бэндинга и микросателлитного анализа свидетельствуют о высокой частоте включения чужеродного генетического материала в геном гибридных форм. Среди потомства восьми комбинаций скрещивания выявлены все характерные для л29 варианты интрогрессий материала полбы (1ВL, 2BS, 3В, 5В, 6AL), причем рекомбинантная хромосома 3В обнаружена во всех гибридных комбинациях. Для гибридов характерен высокий уровень цитологической стабильности (мейотический индекс составил 90.0–98.0 %). Показана эффективность использования линии пшеницы с включением генетического материала T. dicoccoides для улучшения современных сортов по содержанию белка, клейковины и минерального состава зерна без снижения продуктивности. Выделены вторичные интрогрессивные гибриды, превосходящие родительские сорта по комплексу признаков качества зерна в оба года исследования и не уступающие им по основным показателям продуктивности.

Лен – важная сельскохозяйственная культура многофункционального использования. Pазно направленная селекция на содержание масла в семенах и волокна в стеблях привела к возникновению двух морфотипов – льна-долгунца и льна масличного. Ранее, используя однонуклеотидные полиморфизмы, мы охарактеризовали генетическое разнообразие у 306 образцов льна из коллекции российского Федерального научного центра лубяных культур. Вместе с тем более крупные структурные вариации также играют существенную роль в формировании агрономически важных признаков растений и могут быть применены для дальнейшего улучшения льна. Здесь мы задействовали ту же коллекцию льна, чтобы предсказать сайты новых инсерций транспозонов и оценить роль таких инсерций в формировании агрономически важных признаков, а также в процессе окультуривания льна. Мы обнаружили 588 480 новых сайтов инсерций транспозонов, не содержащихся в референсном геноме льна (сборка NCBI ASM22429v2), из которых большая часть приходилась на ретротранспозоны суперсемейств Copia и Gypsy, а среди ДНК транспозонов чаще всего встречались сайты инсерции суперсемейств MULE-MuDR, hAT и CMC-EnSpm. В отличие от однонуклеотидных полиморфизмов, которых было значительно больше у льна масличного, чем у долгунцов, мы не обнаружили столь существенной разницы в числе инсерций разных семейств транспозонов на одно растение у образцов разного морфотипа. Aнализ геномных областей, затронутых недавними селекционными усилиями, выявил в общей сложности 61 район-кандидат, из которых 18 районов пересекались с QTL, ассоциированными с важными агрономическими признаками. Интересно, что пять участков уменьшения генетического разнообразия у культурных сортов и кряжей при сравнении их со староместными сортами также были идентифицированы как участки уменьшения разнообразия при использовании в качестве маркеров однонуклеотидных полиморфизмов. При полногеномном поиске ассоциаций найдено 50 инсерций ТЕ, ассоциированных с разными фенотипическими признаками, причем многие ассоциации подтверждаются несколькими моделями или обнаруживаются в данных по нескольким годам. Таким образом, сайты инсерции транспозонов – важный источник генетического разнообразия у льна наряду с однонуклеотидными полиморфизмами, что позволяет использовать их для дальнейшего улучшения культуры при селекции. 

Длина (продолжительность) вегетационного периода является одним из ключевых хозяйственно важных признаков зерновых культур. У пшениц основное влияние на него оказывают гены Vrn, контролирующие тип (яровость vs. озимость) и скорость развития растений. В настоящей работе по признаку «тип развития» изучено 137 образцов дикой полбы Triticum dicoccoides (Körn. ex Aschers. et Graebn.) Schweinf., среди которых выявлено 39 яровых. Методом секвенирования у яровых образцов установлены нуклеотидные последовательности промоторной области гена Vrn-A1. Идентифицировано пять аллельных вариантов: Vrn-A1b.1, Vrn-A1b.2, Vrn-A1b.4, Vrn-A1d, Vrn-A1u. Три яровых образца, PI355457, PI190919 и PI560817 T. dicoccoides, содержали одновременно два аллеля гена Vrn-A1: Vrn-A1d и не описанный ранее аллельный вариант, обозначенный авторами как Vrn-A1b.8. Промоторная область этого аллеля имела несколько делеций относительно интактного варианта, одна из ко торых захватывала 8 п. н. VRN-бокса. В контролируемых условиях теплицы у образцов была определена длина вегетационного периода и методом 2B-PLS анализа (two-block partial least squares analysis) оценена связь между аллельными вариантами гена Vrn-A1 и длиной вегетационного периода яровых образцов T. dicoccoides. Коэффициент корреляции (r) между этими признаками составил 0.534. Был рассчитан также коэффициент корреляции между длиной вегетационного периода растений и регионами происхождения образцов (r = 0.478). Показано, что образцы, имеющие одинаковые аллели гена Vrn-A1 и происходящие из одного региона, могут значитель но отличаться между собой по длине вегетационного периода. Наличие фенотипических различий при одина ковом аллельном составе гена Vrn-A1 указывает на вклад иных наследственных факторов, локализованных в геномах этих образцов, что обусловливает их ценность в качестве новых источников генетических ресурсов, способствующих расширению биоразнообразия сортов возделываемых видов пшениц.

Представлен обзор подходов реконструкции фреймовых математических моделей молекулярно генетических систем от уровня генетического синтеза до метаболических сетей. Фреймовые математические модели – это модели, в которых заданы: формальная структура, математический формализм под конкретный биохимический процесс, реагенты этого процесса и их роль в нем. Обычно такие модели созданы в автома тическом режиме на базе описания биологического процесса в терминах языков предметной области. Для молекулярно-генетических систем такие языки используют конструкции, привычные для широкого круга исследователей-биологов, например список биохимических реакций. Они основываются на концепции эле ментарных подсистем, где комплексная модель собрана из небольших блоков – «фреймов». В настоящей ра боте мы показали пример с генерацией классической модели репрессилятора, состоящей из трех генов, про дукты синтеза которых последовательно ингибируют биосинтез друг друга. Для этого примера мы привели три версии графической нотации описания структуры модели, их типичную математическую интерпретацию и варианты вычислительных экспериментов. Показали, что даже на уровне фреймовых моделей возможно идентифицировать качественно новое поведение благодаря добавлению в структуру модели всего одного гена. Такая модификация предоставляет пути контроля режимами функционирования модели через измене ние концентраций ее реагентов. Подход, основанный на фреймах, открывает пути генерации моделей кле ток, тканей, органов, организмов и сообществ с помощью программных инструментов, которые формализуют структуру модели и роль ее реагентов, используя как предметно-ориентированные языки, так и графические методы спецификации моделей.

Длинные некодирующие РНК (днРНК) играют важную роль в регуляции экспрессии генов, включая взаимодействия с микроРНК (миРНК), выполняя функцию молекулярных «губок». Для предсказания таких взаимодействий, как правило, применяются методы биоинформатики. Для уточнения предсказаний компьютерных программ можно использовать дополнительные данные на основе коэкспрессии миРНК и днРНК. В настоящей работе исследуются потенциальные взаимодействия между днРНК и миРНК у мутантной линии кукурузы fuzzy tassel (fzt), характеризующейся сниженной экспрессией некоторых миРНК вследствие мутации в гене Dicer-like1 (DCL1) в тканях побега и соцветия. Проведена сборка транскриптомов на основе данных RNA-seq побега и соцветия кукурузы контрольной и мутантной линий. Данные были взяты из архива SRA NCBI. Для побега было идентифицировано десять днРНК, достоверно изменяющих свой уровень экспрессии между контрольной и мутантной группами, девять из них повышают экспрессию у мутантных рас тений. Для соцветия идентифицировано 34 дифференциально экспрессирующихся днРНК (20 с повышенным уровнем экспрессии у мутантных линий). Для днРНК с повышенным уровнем собственной экспрессии и миРНК с пониженным уровнем экспрессии в мутантных линиях были предсказаны потенциальные взаимодействия с помощью алгоритма машинного обу чения PmliPred. С использованием программы IntaRNA подтверждена возможность комплементарного связывания для выявленных пар миРНК–днРНК, что позволило построить конкурирующие эндогенные РНК-сети. Анализ структуры этих сетей показал, что отдельные днРНК способны связывать несколько миРНК одновременно, подтверждая их регуляторную функцию в качестве «губок» для миРНК. Полученные результаты углуб ляют понимание посттранскрипционной регуляции у кукурузы и открывают перспективы для селекционных разработок, направленных на повышение стрессоустойчивости и продуктивности растений.

Эндофитные бактерии способны влиять на доступность различных соединений, урожайность и рост сельскохозяйственных растений, а также обеспечивать устойчивость к болезням и вредителям. Поэтому исследование эндофитов сельскохозяйственно значимых культурных растений является перспективной задачей в области биологической защиты растений. В данной работе рассмотрены изоляты штаммов бактерий, полученные из листьев и/или корней пшеницы, рапса и сои. Было произведено полногеномное секвенированиеизолятов. С помощью аналитического конвейера собраны и охарактеризованы геномы 15 штаммов бактерий эндофитов культурных растений, проанализирован их инсектицидный и фунгицидный потенциал. Анализ генного репертуара с помощью программы GenAPI показал высокую степень соответствия между генным репертуаром штамма BZR 585 относительно Alcaligenes phenolicus, BZR 762 и BZR 278 относительно Alcaligenes sp., BZR 588 и BZR 201P относительно Paenochrobactrum pullorum. Во всех штаммах, за исключением BZR 162, BZR 588 и BZR 201P, найдены гены, кодирующие белки, обладающие фунгицидной активностью, такие как итурины, фенгицины и сурфактины. Также во всех штаммах найдены гены, кодирующие белки с инсектицидной активностью, а именно: GroEL, Spp1Aa1, Spp1Aa2, Vpb1Ab1, Vpb4Ca1, HldE, фенгицин, микосубтилин и бацилломицин. Полученные геномные данные подтверждены экспериментальными испытаниями: ранее показана высокая инсектицидная активность штаммов BZR 1159, BZR 936, BZR 920 и др. против Galleria mellonella, Tenebrio molitor и Cydia pomonella, а также фунгицидные свойства против Fusarium, Alternaria, Trichothecium. Это демонстрирует практическую значимость выявленных генетических детерминант для создания новых агентов биоконтроля.

Макаки резус (Macaca mulatta) являются наиболее распространенными нечеловекообразными приматами, их используют в качестве модельных объектов, в первую очередь, из-за филогенетической и физиологической близости к человеку. В настоящее время модельные организмы широко используются для целого ряда исследований, в том числе на уровне транскриптома. При этом для анализа экспрессии отдельных генов применяется универсальный метод – полимеразная цепная реакция в реальном времени. Проведение такого рода исследований всегда требует предварительного подбора «генов домашнего хозяйства» (ГДХ) – генов, необходимых для реализации основных функций в клетке и стабильно экспрессирующихся в различных типах клеток и при разных условиях. На сегодняшний день для макак резус существуют лишь две систематизированные работы по поиску ГДХ, однако эти исследования проводились лишь для тканей мозга и не учитывают такой важный критерий, как связь ГДХ с заболеваниями. В связи с этим в нашей работе были сформулированы ключевые критерии, учитываемые при подборе ГДХ. Проведены поиск и систематизация кандидатных ГДХ. В результате сформированы две панели перспективных ГДХ для M. mulatta: расширенная панель на 56 генов и малая панель, состоящая из восьми генов: ARHGDIA, CYB5R1, NDUFA7, RRAGA, TTC1, UBA6, VPS72 и YWHAH. Обе панели соответствуют всем критериям подбора ГДХ (не имеют псевдогенов ни у макаки, ни у человека, характеризуются стабильной и достаточной экспрессией в мозге макак резус и могут быть использованы для анализа экспрессии не только в мозге, но и в периферической крови). Однако необходимо отметить, что данные экспериментально не верифицированы и требуют проверки в лабораторных условиях.

Гипертония считается ведущим фактором риска развития многих сердечно-сосудистых заболеваний. Одним из ключевых факторов, способствующих развитию гипертонии, является хронический психоэмоциональный стресс. Изучение молекулярно-генетических механизмов развития гипертонии человека проводят на животных, в том числе на специально созданных инбредных линиях крыс, моделирующих различные формы гипертонии чело века. В настоящей работе использованы данные из базы данных RatDEGdb о 144 генах гипоталамуса, которые представляют общий ответ на рестрикционный стресс у гипертензивных крыс НИСАГ и нормотензивных крыс WAG. Эти гены крыс были аннотированы изменениями экспрессии ортологичных им генов человека с использованием данных о 17 458 дифференциально экспрессирующихся генах (ДЭГ) пациентов с артериальной гипертензией по сравнению с нормотензивными пациентами. Для выявленных пар ортологов между ДЭГ гипоталамуса крысы после рестрикцион ного стресса и пациентов с артериальной гипертензией применили анализ главных компонент. Две главные компо ненты, соответствующие линейной комбинации значений log2 изменений экспрессии, связанные со сходством (PC1) и различием (PC2) ответа на психоэмоциональный стресс двух линий крыс, с одной стороны, и разными формами гипертонии человека, с другой, объясняли соответственно 64 и 33 % дисперсии дифференциальной экспрессии генов. Выявленная значимая корреляция между значениями PC1 и PC2 для группы ДЭГ со стресс-индуцированным снижением экспрессии указывает на существование общего молекулярного механизма между психоэмоциональ ным стрессом и гипертонией. Их функциональная аннотация позволила предположить, что стресс-индуцированное снижение экспрессии генов, участвующих в функционировании плазматической мембраны и одновременно во взаи модействии с межклеточным пространством, является наиболее вероятным вкладом психоэмоционального стресса в формирование гипертензивного статуса пациентов, а транскрипционный фактор SMARCA4 – наиболее вероятным участником эпигенетической модификации экспрессии генов в результате хронического стресса. Также предложены маркеры периферической крови для диагностики психоэмоционального стресса.

За последние несколько десятилетий дрожжи стали наиболее эффективными биопродуцентами рекомбинантных белков с различными потребительскими свойствами. Это стало возможным благодаря их экономически выгодным характеристикам и успешному применению генно-инженерных технологий. Кроме того, дрожжи обладают консервативным для эукариотических организмов механизмом посттрансляционной модификации белков, который обеспечивает их корректный фолдинг, необходимый для дальнейшей секреции и функциональной активности. Однако аппарат фолдинга не всегда справляется с нагрузкой, вызванной сверхэкспрессией рекомбинантных генов, что приводит к накоплению неправильно свернутых белков, образованию агрегатов и низкой продуктивности дрожжевых штаммов. Таким образом, способность к фолдингу белков в эндоплазматическом ретикулуме по-прежнему остается одним из основных ограничений при синтезе рекомбинатных белков в дрожжевых клетках. Эти ограничения были в значительной степени преодолены благодаря многолетним эффективным исследованиям фундаментальных механизмов белкового фолдинга. Изучение фолдинга как у модельных организмов, так и у биопродуцентов позволило выявить молекулярные факторы и клеточные механизмы, определяющие формирование трехмерной функциональной структуры растущей пептидной цепи. Полученные знания легли в основу разработки новых эффективных методов конструирования высокопродуктивных штаммов дрожжей. В данном обзоре мы рассмотрели основные клеточные механизмы, связанные с фолдингом белков, такие как транспорт через эндоплазматический ретикулум, взаимодействие с шаперонами, окислительный фолдинг, гликозилирование и контроль качества белков. Мы обсудили эффективность применения этих знаний при разработке различных инженерных методов, направленных на преодоление узких мест в системе белкового фолдинга. В частности, подбор оптимальных сигнальных пептидов, коэкспрессия с шаперонами и фолдазами, модификация клеточных механизмов контроля качества белков, ингибирование протеолиза и некоторые другие приемы позволили повысить возможности использования дрожжей-продуцентов в качестве эффективной производительной платформы для экспрессии и секреции рекомбинантных белков.

В последние годы целлюлаза привлекает огромное внимание как промышленно важный фермент с широким спектром применения. Целлюлазы представляют собой сложную группу ферментов, которые секретируются многообразием микроорганизмов, включая грибы и бактерии. Они относятся к подклассу ферментов гидролаз, субстратом которых является полисахарид целлюлоза. Целлюлазы имеют огромное практическое значение, поскольку содержащие целлюлозу материалы используются во множестве отраслей народного хозяйства. В этом обзоре приведены сведения об основных свойствах и структуре целлюлаз. Но основное внимание уделено применению этих ферментов в промышленности, а прочие аспекты, так или иначе, рассматриваются с учетом этого. Исследованы имеющие наибольшее практическое значение бактериальные и грибные целлюлазы, их основные преимущества и отличия. Отдельно рассмотрены экстремофильные (а именно термо-, психро- и галофильные) целлюлазы как обладающие свойствами, нужными в условиях современных технологических процессов. Поскольку для практического применения необходимы массовая продукция и оптимальное сочетание свойств ферментов, внимание также уделено получению эффективных продуцентов и модификации свойств, производимых целлюлаз. Наконец, обозначены ключевые тенденции в подходах к производству целлюлаз и перспективы практического применения.

Фенольные соединения составляют значимую группу вторичных метаболитов зерна ячменя и оказывают влияние на его технологические качества при использовании в пивоварении, производстве кормов и пищевых продуктов. Особую роль среди них играют проантоцианидины – полимерные флавоноиды, локализованные в семенной оболочке. Эти соединения обусловливают ряд производственных проблем, таких как коллоидное помутнение пива, а также потемнение крупы после термообработки. Хотя проантоцианидины обладают полезными для здоровья человека свойствами, основанными на их антиоксидантной активности, они могут выступать как антипитательные факторы из-за своей способности связывать белки. В связи с этим была инициирована селекция сортов ячменя, полностью лишенных проантоцианидинов в зерне, в первую очередь для использования в пивоваренной промышленности. Первоначально предполагалось, что их отсутствие не критично для растения, поскольку у пшеницы, кукурузы и риса были выявлены образцы, не содержащие проантоцианидинов в зерне. Однако накопленные данные свидетельствуют, что проантоцианидины выполняют важные физиологические функции: участвуют в поддержании покоя семян, обеспечивают защиту от грибных и бактериальных патогенов и вредителей, и их отсутствие негативно сказывается на агрономических характеристиках. Так, у беспроантоцианидиновых мутантов ячменя, полученных методами индуцированного мутагенеза, отмечено снижение продуктивности и устойчивости к патогенам, повышение риска прорастания зерна на корню и ухудшение ряда технологически важных свойств. Тем не менее мутантные линии активно используются в селекционных программах для создания сортов различного назначения. Цель данного обзора – систематизировать и проанализировать мировой опыт селекции беспроантоцианидиновых сортов ячменя, описать достигнутые результаты для выявления наиболее успешных подходов и определения направлений дальнейших исследований. В работе рассматриваются проблемы, с которыми столкнулись селекционеры при использовании мутантных линий, а также стратегии, позволившие минимизировать негативные побочные эффекты. Показано, что за счет целенаправленного скрещивания и оптимального подбора мутантных аллелей удалось создать конкурентоспособные сорта, сочетающие требуемые технологические качества с удовлетворительными агрономическими характеристиками и отвечающие запросам как пивоваренной, так и пищевой промышленности.