Трансгенные растения широко используются для проведения фундаментальных и прикладных исследований. Эффективная экспрессия трансгенов зависит от правильного выбора служебных элементов при планировании структуры генетической конструкции, в частности, важное значение имеет структура 5′-нетранслируемого района, влияющая на эффективность инициации трансляции мРНК. В статье рассмотрены характеристики 5′-НТП, определяющие эффективность трансляции мРНК в клетках растений, а также различные трансляционные энхансеры.

Обзор посвящен характеристике основных классов повторяющихся последовательностей ДНК, включая кодирующие (гены рРНК) и некодирующие последовательности (тандемные и диспергированные повторы). Обсуждается особая роль этих компонентов в формировании структурно-функциональной организации генома высших растений, а также в обеспечении повышенной по сравнению с геномом животных генетической изменчивости на уровне как отдельных последовательностей, так и генома.

Интрогрессия чужеродного хроматина в геном мягкой пшеницы Triticum aestivum L. является наиболее эффективным способом обогащения генофонда этой культуры. Для повышения селекционно ценных свойств пшеницы в качестве источника признаков используется рожь Secale cereale L. Передача генетического материала ржи имеет свои особенности. Объединение геномов двух злаков в одном ядре приводит к дисбалансу в работе всех генетических систем. Формирование новых интрогрессивных форм начинается с восстановления фертильности амфигаплоидов, а затем сопровождается реорганизацией гибридного генома, во время которой достигается цитологическая и генетическая стабильность у диплоидных потомков. В данной работе собраны и проанализированы результаты, полученные при изучении двух этапов реорганизации пшенично-ржаного генома: 1) преодоление стерильности гибридов F1 (цитогенетические механизмы образования нередуцированных гамет); 2) реорганизация субгеномов пшеницы при интрогрессии единичных хромосом ржи.

Одним из основных факторов внешней среды, лимитирующих рост и урожайность растений, является засуха. В настоящее время с целью улучшения комплексной устойчивости мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) широко применяется создание новых форм пшеницы с использованием интрогрессии генов от других видов злаков.

Цель настоящей работы состояла в установлении влияния чужеродного генетического материала (от Aegilops speltoides, Ae. tauschii и T. timopheevii) на устойчивость проростков пшеницы к осмотическому стрессу. Косвенная оценка засухоустойчивости с помощью создания искусственного дефицита влаги в лабораторных условиях позволила выявить различную степень влияния чужеродного генетического материала. В частности, показано, что транслокация T6BS·6BL-6SL от Ae. speltoides в геноме мягкой пшеницы положительно влияла на засухоустойчивость родительской линии Родина-1, а интрогрессия от T. timopheevii в хромосоме 2А наоборот снижала устойчивость исходного сорта Саратовская 29. На примере транслокации T5BS·5BL-5SL установлено, что один и тот же чужеродный фрагмент, интрогрессированный в разные исходные сорта пшеницы, может по-разному влиять на устойчивость пшеницы к осмотическому стрессу в зависимости от степени засухоустойчивости исходного сорта.

Изучена способность к андрогенезу в культуре пыльников эуплазматических линий мягкой пшеницы и аллоплазматических рекомбинантных линий (H. vulgare)-T. aestivum, несущих транслокации 1RS.1BL и 7DL-7Ai. У эуплазматических линий, имеющих обе эти транслокации, способность к образованию андрогенных структур и регенерации проростков подавлена. Аллоплазматические рекомбинантные линии (H. vulgare)-T. aestivum, как носители двух транслокаций 1RS.1BL и 7DL-7Ai, так и аллоплазматические линии с транслокацией 1RS.1BL, характеризуются повышенной способностью к образованию андрогенных структур, включая полиэмбриоиды, и к регенерации проростков по сравнению с эуплазматическими линиями. Обсуждается индуцирующее взаимное влияние цитоплазмы ячменя и хромосомы ржи 1RS на андрогенетическую способность линий (H. vulgare)-T. aestivum, несущих транслокации 1RS.1BL и 7DL-7Ai. От андрогенных растений со спонтанным удвоенным числом хромосом и восстановленной фертильностью сформированы дигаплоидные линии. Для использования в селекции выделены наиболее перспективные по проявлению хозяйственно ценных признаков и устойчивости к грибным патогенам линии-носители транслокаций.

Изучено спаривание хромосом в мейозе уникальных аллогаплоидных гибридов, полученных с использованием методов клеточной и хромосомной инженерии. Использованы две комбинации гибридов: 1) между дигаплоидом культурного картофеля Solanum tuberosum (АА-геном, 2n = 2x = 24) и дикорастущим видом S. еtuberosum (ЕЕ, 2n = 2x = 24); 2) между культурным томатом S. lycopersicum (LL, 2 n = 2x = 24) и S. etuberosum (ЕЕ, 2n = 2x = 24). Хромосомоспецифичные BAC-клоны картофеля и пробы дифференциально меченой тотальной ДНК родительских видов позволили идентифицировать конъюгирующие хромосомы и их геномную принадлежность. У аллогаплоидов S. tuberosum с S. etuberosum геномного состава АЕ обнаружено до 7 межгеномных бивалентов на клетку; хиазмы формируются в дистальном районе длинного плеча каждой хромосомы набора; хиазмы в коротком плече имеют хромосомы 3, 6, 11 и 12. Для андрогенных регенерантов соматических гибридов S. lycopersicum c S. etuberosum характерен в основном унивалентный мейоз; редкие биваленты (от 0 до 2 на клетку) образованы гомеологами хромосом 4 и 6. Обсуждаются перспективы предложенного подхода, основанного на использовании методов соматической гибридизации и in vitro андрогенеза, для изучения спаривания гомеологичных хромосом и разработки стратегии интрогрессивной гибридизации отдаленных видов растений.

С помощью современных методов анализа кариотипов растений (С-окрашивание, FISH) охарактеризованы четыре генетически независимые линии мягкой пшеницы с измененной морфологией колоса, связанной с развитием дополнительных колосков в уступах колосового стержня (многоколосковостью). Обнаружено, что три линии несут перестройки хромосом 2-й гомеологической группы: замещение хромосомы 2D, терминальную и интерстициальную делеции. С помощью микросателлитного анализа было определено положение точек разрыва делеций на хромосомах 2D. Обнаружено, что положение делеций на генетических картах хромосом 2D совпадает с положением гена MRS1,мутация которого вызывает развитие множества колосков в уступе. Оценка фенотипов колоса многоколосковых делеционных линий и серии делеционных линий с делециями хромосом 2A, 2B 2D, полученных на основе сорта мягкой пшеницы Чайниз Спринг, показала, что делеции хромосом 2-й гомеологической группы могут приводить к изменению морфологии колоса мягкой пшеницы – образованию дополнительных колосков в уступах, изменению длины и плотности колоса.

Изучено генетическое разнообразие коллекции интрогрессивных линий T. aestivum/T. timopheevii по микросателлитным локусам и устойчивости к грибным болезням. Генотипирование гибридных линий и родительских сортов мягкой пшеницы с помощью 143 SSR маркеров выявило в их геноме 521 и 440 аллелей соответственно, в среднем по 3,24/2,73 аллеля на локус. Сравнение индивидуальных хромосом по индексам генетического разнообразия свидетельствует о том, что наиболее низким разнообразием микросателлитных локусов характеризуются хромосомы 4D и 5D (Н = 0,16–0,21) как родительских сортов, так и гибридных линий, а наиболее высокий индекс (0,62–0,68) показан для хромосом 5В и 6А. Анализ полиморфизма микросателлитных локусов и индексов Н трех геномов интрогрессивных линий показал, что хромосомы генома B имеют более высокие показатели по сравнению с геномами А и D (B > A > D), что, вероятно, является результатом наличия чужеродных интрогрессий в эти хромосомы. Сравнение результатов молекулярного и фитопатологических тестов позволяет заключить, что, несмотря на жесткий отбор по признаку устойчивости к бурой ржавчине в первых поколениях и большое число поколений самоопыления, генетическое разнообразие интрогрессивных линий по микросателлитным локусам сохраняется, это свидетельствует о стабильности чужеродного генетического материала, перенесенного в геном мягкой пшеницы.

Комбинация аллелей генов Vrn-A1, Vrn-B1, Vrn-D1, Ppd-D1, Ppd-B1 анализировалась с использованием аллель-специфичных праймеров у 48 раннеспелых и среднеранних сортов яровой мягкой пшеницы из различных селекционных центров Сибири. По Vrn-1 и Ppd-1 генам выявлено 6 гаплотипов, включая 2 наиболее распространенных с двумя доминантными генами, Vrn-A1 и Vrn-B1, на фоне рецессивных генов Ppd-D1b, обусловливающих чувствительность к фотопериоду. Доминантный аллель Ppd-D1a встречается очень редко и был описан в сочетании с доминантными генами Vrn-A1 и Vrn-B1 только у одного сорта (Тулун 15), который является наиболее скороспелым из всех проанализированных сортов. Внутри каждого гаплотипа выявлена значительная вариабельность по продолжительности вегетации, что предполагает сильное влияние «генетического фона» на данный признак. Полученные результаты могут быть использованы в маркер-опосредованной селекции для отбора генотипов, наиболее оптимальных для тех или иных условий возделывания.

Оценивались параметры продуктивности колоса у растений популяций F2, полученных от скрещивания сортов Новосибирская 67, Саратовская 29 и Puza-4 с образцом Skle 123-09, характеризующимся «многоцветковостью». Показано, что линия Skle 123-09 по плотности колоса достоверно отличается от изученных сортов; по длине колоса и числу колосков в колосе достоверных различий не обнаружено. Двухфакторный дисперсионный анализ гибридов F2 показал, что основная доля изменчивости признака «длина колоса» определялась главным образом генотипической средой и взаимодействием факторов «генотип × среда». На изменчивость признака «число колосков колоса» основное влияние оказывали условия среды. Особенно это касается сортов Саратовская 29 и Puza-4, которые были созданы для засухоустойчивых зон возделывания. На изменчивость результирующего признака«плотность колоса» оказывают влияние условия среды, генотип и взаимодействие обоих факторов «генотип × среда». В результате проведенной оценки среди растений популяции F2 были выделены формы, обладающие веерообразными колосками и высокой озерненностью, типичные для Skle 123-09, и имеющие наилучшие показатели других признаков колоса. Отобранные растения будут использованы для закрепления признака «многоцветковость» в родительских сортах.

На основании молекулярно-генетического анализа среди диких видов рода Malus выявлен полиморфизм гена MD-Exp7, контролирующего биосинтез экспансина. Всего идентифицировано 8 аллельных форм гена, 4 из которых являются уникальными. Отмечены закономерности распределения аллелей у 37 генотипов согласно их систематическому положению. Выявлено значительное разнообразие данного признака как между секциями рода, так и между представителями внутри одной секции. Идентифицированы различные варианты гена среди представителей одного вида.

Фермент кислая вакуолярная инвертаза Pain-1 определяет содержание крахмала и сахаров в клетках, а также участвует в формировании ответной реакции растения на воздействие абиотического стресса. Впервые охарактеризована вариабельность фрагмента (экзон V–экзон VII) гена Pain-1 у 19 сортов картофеля российской и зарубежной селекции. Выявлено 25 полиморфных нуклеотидных позиций. Детектирован ранее не описанный SNP С1895 в экзоне VII. 5 из 8 SNPs, детектированных в экзонах, приводили к аминокислотным заменам, три из которых были радикальными. Также были выявлены три аминокислотные замены в последовательности консервативного C-терминального гликозилгидролазного домена.

Интрон, расположенный между первым и вторым нуклеотидами антикодона лейциновой транспортой РНК, является единственным представителем интронов группы I у высших растений. В данной работе впервые охарактеризована последовательность интрона пластидного гена trnL у 16 видов бобовых и построена вероятная вторичная структура всего интрона и отдельных функциональных участков. Выявлен высокий уровень полиморфизма как между родами семейства Fabaceae, так и между видами одного рода. В последовательностях каталитического центра, которые считаются крайне консервативными, были детектированы единичные нуклеотидные замены.

С использованием молекулярных маркеров, сцепленных с генами устойчивости пшеницы к бурой ржавчине Lr9, Lr10, Lr19, Lr24, Lr26, Lr34, Lr37, проанализировано 1 920 растений и 46 коммерческих сортов селекции КНИИСХ. В основном анализируемые сорта несут утративший эффективность ген Lr10, а также слабоэффективные Lr26 и Lr34 и их комбинации. Высокоэффективные гены Lr9 и Lr24 не были идентифицированы. Эффективный на территории Краснодарского края ген Lr19 был идентифицирован в сортах Паллада и Яра. Ген Lr37 выявлен в сорте Морозко. За короткий срок были получены растения поколения F2, F3 с интрогрессиями генов Lr9, Lr19, Lr24, Lr37. Выявлены образцы с комбинациями генов Lr24+Lr37, Lr24+Lr19, Lr24+Lr9, Lr19+Lr37, Lr37+Lr9, Lr19+Lr9. Отобрано 7 растений с комбинацией из трех генов Lr37+Lr19+Lr9 и одно с комбинацией Lr37+Lr24+Lr9.

Представлены результаты оценки устойчивости к возбудителю бурой ржавчины 83 образцов мягкой пшеницы коллекции ВИР, несущих чужеродный генетический материал. Выявлено 8 образцов с ювенильной устойчивостью и 27 образцов – с полевой. С использованием молекулярных маркеров показано наличие у изученного материала высоко- и частично эффективных в России генов Lr24, Lr39, Lr37, Lr21 и ржаной транслокации 1AL.1RS. Образцы, содержащие эффективные Lr-гены, могут быть использованы в качестве доноров в селекционных программах России. Линии, созданные с участием T. timopheevii, были неоднородными по устойчивости, у них не выявлены молекулярные маркеры гена Lr50, известного для данного вида. Эти линии требуют дальнейшего изучения и проведения отборов.

Сетчатая пятнистость ячменя (Hordeum vulgare L.), вызываемая грибом Pyrenophora teres f. teres, и темно-бурая – возбудителем Cochliobolus sativus, относятся к числу наиболее распространенных и вредоносных болезней в ареале культуры . Селекция ячменя на устойчивость к этим болезням предполагает наличие генетического разнообразия устойчивости. В дигаплоидной популяции «А», полученной от скрещивания эфиопского образца к -23874, устойчивого к P. teres f. teres, c восприимчивым сортом Пиркка, выявлен SNP-маркер (11_11067, позиция 58 сМ) на хромосоме 6Н, который был достоверно (р < 0,05) сцеплен с устойчивостью к трем изолятам P. teres f. teres. В дигаплоидной популяции «В» (Зерноградский 813 × Ранний 1) обнаружено 11 QTLs, контролирующих устойчивость к 12 изолятам P. teres f. teres на всех хромосомах ячменя и 14 QTLs – к 12 изолятам C. sativus на всех хромосомах, кроме 4Н. Показана изолят-специфичность выявленных QTLs, ассоциированных с устойчивостью к P. teres f. teres и C. sativus. Большинство выявленных локусов находятся в интервалах между SNP-маркерами, в которых другими исследователями уже были обнаружены QTL, контролирующие устойчивость к P. teres f. teres и C. sativus. На хромосомах 1Н, 4Н и 5Н выявлены 4 новых изолят-специфичных QTL, контролирующих устойчивость к P. teres f. teres. Пять новых QTL, ассоциированных с устойчивостью к C. sativus, были обнаружены на хромосомах 2Н, 3Н, 5Н и 6Н.

Генные сети, контролирующие устойчивость растений к различным фитопатогенам, весьма сложны, в них могут принимать участие сотни генов. Инфекция вызывает существенные изменения на молекулярно-генетическом, биохимическом, физиологическом и морфологическом уровнях как локально, в месте инвазии, так и системно. Реконструкция генных сетей, отвечающих за защиту растений от патогенных бактерий, грибов и вирусов, необходима для выявления задействованных молекулярных механизмов, а также для разработки новых способов повышения устойчивости хозяйственно ценных растений. Транскрипционная активность генов, участвующих в защите от фитопатогенов, обычно возрастает в ответ на инфекцию, поэтому характеристика их промоторов является важным источником информации для выявления транскрипционных факторов, контролирующих их работу, и для поиска новых генов, участвующих в ответе на инфекцию. Данные о промоторах необходимы для создания устойчивых к фитопатогенам растений методами генной инженерии. В статье представлены данные о промоторах патоген-чувствительных генов с экспериментально проверенным паттерном экспрессии, аннотированных в базе TGP (TransGene Promoters). База TGP может быть использована в качестве источника информации для интерпретации транскриптомных данных и при планировании генно-инженерных экспериментов, направленных на повышение устойчивости растений к патогенам различного происхождения.

В статье приводятся собственные и литературные данные по генетике антоциановой окраски у ржи. Сформулировано представление о норме в отношении признаков антоциановой окраски растений ржи. При анализе изменчивости этих признаков у инбредных линий озимой ржи установлена изменчивость по проявлению антоциановой окраски на различных органах растения, которая в значительной степени подвержена влиянию среды. По этой причине гибридологический анализ проводился только для признаков с надежным качественным проявлением. Установлено, что при гомозиготном состоянии по любому из 6 рецессивных генов (vi1–vi6) антоциановая окраска у растения отсутствует. Из них только один ген vi1 локализован и картирован в хромосоме 7R. Доминантный ген фиолетовой окраски перикарпа Vs картирован в хромосоме 2R, а один из двух комплементарных генов окраски ушек R1 – в хромосоме 5R. Обсуждаются литературные данные по идентификации и локализации генов антоциановой окраски у ржи в связи с перспективами дальнейших исследований в этом направлении.

Биосинтез флавоноидных соединений – один из наиболее хорошо изученных метаболических путей растений. Внимание исследователей к биохимическим, физиологическим и генетическим аспектам биосинтеза флавоноидов связано в первую очередь с широким спектром их биологических свойств. Кроме того, система генов биосинтеза флавоноидов является отличной генетической моделью. Благодаря развитию методов молекулярной генетики и геномики в течение последних лет удалось существенно продвинуться в понимании молекулярно-генетических механизмов, контролирующих биосинтез флавоноидов у мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.). В настоящей статье проводится краткий обзор результатов работ, посвященных анализу структурной и функциональной организации генов биосинтеза флавоноидов пшеницы и ее сородичей.

Фитогормон ауксин является ключевым фактором морфогенеза растений. Ауксин неравномерно распределяется в тканях растения, формируя градиенты и максимумы концентраций, в соответствии с которыми происходит рост, деление и дифференцировка клеток. Основной вклад в образование градиентов ауксина вносит семейство PIN-FORMED (PIN) белков, трансмембранных транспортеров ауксина. Корень растений представляет собой наиболее удобную модель для изучения регуляции морфогенеза ввиду его достаточно простой клеточной организации. В данном обзоре мы рассматриваем особенности экспрессии PIN транспортеров и их роль в формировании распределения ауксина в корне арабидопсиса. Обсуждаются математические модели, которые позволили доказать связь между паттерном экспрессии PIN-белков и распределением ауксина в меристеме корня.

На примере яровых сортов мягких пшениц Саратовская 29, Новосибирская 67, Скала, Иртышанка 10, Целинная 20 и их интрогрессивных линий, полученных с участием Triticum timofeevii Zhuk., исследована корреляционная зависимость реологических свойств (силы муки) от содержания суммарного белка, сырой клейковины, глиадина и глютенина, их соотношения и прироста. Показано, что хорошая корреляция силы муки имеется только с приростом содержания глютенина. Указывается на возможность использования этой зависимости в селекции.

Высокий уровень плоидности Fragaria × ananassa Duch. (2n = 8x = 56) и, как следствие, полисомическое наследование многих признаков, в том числе и репродуктивных, существенно затрудняют достижение однородности в семенном потомстве, необходимое для создания сортов, размножающихся семенами. В статье обосновывается эффективность использования линейных скрещиваний для достижения однородности семенного потомства ремонтантной крупноплодной земляники. Данные изучения трех потомств (F1) от линейных скрещиваний ремонтантной крупноплодной земляники свидетельствуют об однородности в потомствах по основным биоморфологическим признакам. Срок вступления в плодоношение сеянцев происходит спустя 4–5 месяцев после посева семянок, что позволяет в условиях Западной Сибири собирать урожай в августе–сентябре и частично в октябре.

История формирования ареала ели европейской на территории Восточно-Европейской равнины обсуждается по результатам анализа аллельного разнообразия митохондриального гена Nad1, имеющего материнскую природу наследования, и межгенного спейсера trnT-trnF хлоропластной ДНК, наследуемой у елей по отцовской линии. Полиморфизм генов органельной ДНК проанализирован на выборке из 221 ели из 28 регионов РФ, представленной в географических культурах. У елей всех регионов европейской части РФ выявлены аллели Nad1, типичные для «северной семьи» Picea abies, распространенные также в Скандинавии и Западной Европе. Аллель Nad1, характерный для «южной семьи» P. abies, обнаружен в популяциях ели из Закарпатья. Аллель Nad1, видоспецифичный для P. obovata,выявлен только у елей из Свердловской области и Красноярского края. У проанализированных деревьев обнаружены гаплотипы хлДНК, как характерные для P. obovata, так и специфичные для P. abies. Анализ полиморфизма органельной ДНК позволяет выявить гибридную природу елей, развившихся в результате переопыления между особями разных видов.

Конские бобы (Vicia faba L.) принадлежат к набору культур, с которых начиналось культивирование растений на Ближнем Востоке, однако их дикий предок или близкие сородичи до сих пор неизвестны. Предполагается, что дикий предок бобов имел ограниченный ареал в Леванте и был тесно связан с растительным сообществом, ограниченным по площади, вследствие чего оказался одомашнен целиком как вид. Возможно, его местообитания были связаны с границей речной поймы и склона (так называемый «трансэлювиально-аккумулятивный барьер»), отличающейся благоприятными почвенными условиями. Эти ограниченные природные местообитания бобов могли стать фокусом приложения нарождающегося возделывания растений, становясь тем самым прообразом будущих полей. Предполагается, что конские бобы, будучи заметными высокими растениями с крупными семенами и ограниченным местообитаниям, могли служить «стартовой культурой» для возникновения сельского хозяйства на Ближнем Востоке и способствовать самому возникновению идеи и практики возделывания растений и «изобретению» поля.