Научные редакторы выпуска: академик РАН Н.А. Колчанов (ИЦиГ СО РАН, Новосибирск), член-корреспондент РАН А.В. Кочетов (ИЦиГ СО РАН, Новосибирск), профессор РАН Е.В. Журавлева (ФАНО, Москва), профессор РАН Е.К. Хлесткина (ИЦиГ СО РАН, Новосибирск), д.с.-х.н. И.Е. Лихенко (ИЦиГ СО РАН, Новосибирск)

Быстрое развитие высокопроизводительных геномных, транскриптомных, протеомных и метаболомных технологий обусловило эффект «информационного взрыва» в области биологии растений. На сегодняшний день число научных публикаций только по одной важнейшей сельскохозяйственной культуре Solanum tuberosum L. (картофель) превышает 1.5 млн. Эффективный доступ к знаниям, распределенным по такому множеству неформализованных естественно-языковых текстовых источников, требует применения специальных компьютерных интеллектуальных методов анализа текстов (text mining). Однако в литературе нет данных о широком использовании интеллектуальных методов автоматического извлечения знаний из научных публикаций по сельскохозяйственным культурам, таким как картофель. Ранее нами была разработана пилотная версия базы знаний SOLANUM TUBEROSUM, представляющая собой компьютерную платформу для комплексной интеллектуальной обработки больших данных, включая: 1) автоматический анализ текстов научных публикаций и фактографических баз данных, направленный на экстракцию информации по генетике, маркерам, селекции, семеноводству, диагностике возбудителей заболеваний, средствам защиты и технологиям хранения картофеля; 2) формализованное представление извлеченной информации в базе знаний; 3) пользовательский доступ к этим данным; 4) анализ и визуализацию результатов запросов. В онтологии базы знаний SOLANUM TUBEROSUM представлены словари молекулярно-генетических объектов (белков, генов, метаболитов, микроРНК, биомаркеров и др.), сортов картофеля и их фенотипических признаков, болезней и вредителей картофеля, биотических и абиотических факторов окружающей среды, агробиотехнологий возделывания, а также технологий переработки и хранения картофеля. В статье дано описание текущей версии базы знаний SOLANUM TUBEROSUM, полученной в результате расширенного анализа научных публикаций по молекулярно-генетической регуляции метаболических путей у картофеля, а также модельных растительных организмов (кукурузы, риса, арабидопсиса). Всего было проанализировано около 9 000 полнотекстовых статей и более 130 000 рефератов PubMed. С помощью автоматического анализа текстов научных публикаций выявлено более 59 000 фактов о молекулярно-генетических взаимодействиях и генетической регуляции, а анализ фактографических баз данных позволил выявить более 380 000 таких взаимодействий у рассмотренных организмов. При этом оказалось, что к Solanum tuberosum L. относится около 3 % экстрагированных фактов о молекулярно-генетических взаимодействиях и генетической регуляции. Таким образом, включение сведений о хорошо изученных модельных видах при извлечении информации о молекулярно-генетической регуляции метаболических процессов является важным и позволит предсказывать гены-ортологи у картофеля и проводить их дальнейшую идентификацию и выделение на основе гомологии. Сконструирована ассоциативная сеть генетической регуляции биосинтеза крахмала у картофеля, включающая 33 метаболита, 36 белков, 6 метаболических путей и 132 взаимодействия между ними, 86 из которых описывают каталитические реакции, а остальные – регуляторные события. Сконструированная сеть является основой для поиска генов-мишеней для направленного мутагенеза и маркер-ориентированной селекции сортов картофеля с заданными свойствами крахмала. Тестовая версия базы знаний SOLANUM TUBEROSUM доступна по адресу http://www-bionet.sysbio.cytogen.ru/and/plant/.

Создание устойчивых к фитопатогенам сортов – наиболее надежный и экономичный способ снижения потерь урожайности картофеля. Выведение таких сортов возможно при использовании в селекционной работе генетических источников устойчивости. Применение ДНК-маркеров для идентификации ценных генотипов, в том числе форм с несколькими генами устойчивости, позволяет существенно повысить эффективность селекции. Разработка технологии мультиплексной ПЦР для одновременного тестирования сортов и селекционных линий по нескольким генам, контролирующим устойчивость к вирусам и нематодам, является новым подходом в использовании ДНК-маркеров. Цель работы: скрининг методом мультиплексной ПЦР образцов картофеля коллекции Нарымского отдела селекции и семеноводства СибНИИСХиТ – филиала СФНЦА РАН на наличие генов устойчивости к золотистой и бледной нематодам, раку, а также вирусам X и Y. Проведена оценка 40 образцов на присутствие в геноме генов устойчивости к раку картофеля (Sen1), к вирусу X (Rx),  вирусу Y (Ryadg, Rychc, Rysto), золотистой цистообразующей картофельной нематоде (H1, Gro1-4), бледной картофельной нематоде (Gpa2) с помощью генетических маркеров. В выборку вошли 2 сорта, 3 популяции, полученные от самоопыления сорта Идеал, и 35 индивидуально отобранных гиб ридов картофеля. В результате исследования маркер NL25 (ген Sen1) обнаружен у 19 образцов; маркер PVX (ген Rx) – у 13 об разцов; маркер RYSC3³¹² (ген Ryadg) – у 10 образцов; маркер YES3-3A³⁴¹ (ген Rysto) – у 5 образцов; маркеры TG 689¹⁴¹, 57R⁴⁵⁰,  N195³³⁷(ген H1) – у 12 образцов; маркер Gro1-4-1⁶⁰² (ген Gro1-4) –  у 6 образцов; маркер Gpa2-2⁴⁵² (ген Gpa2) – у 13 образцов. По комплексу хозяйственно полезных признаков выделился образец С-31-15, обладающий высокими показателями урожайности и качества и являющийся носителем генетических маркеров устойчивости к вирусам X (Rx), Y (Rysto), золотистой цистообразующей картофельной нематоде (H1, Gro1-4), бледной нематоде (Gpa2).

Стероидные гликоалкалоиды (СГА) картофеля составляют часть иммунитета растений. Некоторые их модифицированные формы токсичны для человека. В ходе доместикации картофеля происходил отбор растений с пониженным уровнем СГА. В настоящее время с появлением методов, при помощи которых возможно специфично влиять на регуляцию метаболических путей, появляется перспектива преодолеть нежелательную прямую взаимосвязь между устойчивостью картофеля к вре дителям и токсичностью его клубней. Однако для таких целенаправленных тонких изменений необходимы глубокие знания о регуляторной сети биосинтеза СГА картофеля. Цель обзора –  обобщить сведения об известных генах биосинтеза СГА у растений, суммировать данные об исследовании этих генов у картофеля, а также рассмотреть механизмы защитного токсического действия СГА против патогенов и вредителей. Биосинтез СГА идет по мевалонатному пути, который реализуется в цитозоле и состоит из трех этапов. Первые два этапа относятся к синтезу первичных метаболитов и приводят к циклоартанолу и холестерину соответственно. В биосинтез вовлечены 12 ферментов, половина из которых также участвует в биосинтезе фитостеринов, являющемся ответвлением первого этапа этого метаболического пути. В листьях картофеля при избытке фитостеринов синтез переключается на СГА, повышая их содержание. В клубнях при избытке предшественников СГА происходит вовлечение их в синтез ланостерола, что позволяет поддерживать стабильность уровня СГА в этой части растений. Значимость структурных генов, кодирующих ферменты первых двух этапов биосинтеза, не позволяет рассматривать их в качестве мишеней для нокаута с целью снижения уровня СГА. Однако информация о тканеспецифичных механизмах переключения между путями синтеза СГА и других соединений, имеющих общих с СГА предшественников, может быть использована для манипуляции с тканеспецифичным уровнем стероидных гликоалкалоидов. На третьем этапе (собственно синтез гликоалкалоидов из холестерина) участвуют около 20 ферментов. В геноме картофеля идентифицировано 14 соответствующих им генов, 8 из которых детально изучены при помощи методов обратной генетики. В качестве перспективных мишеней для снижения уровня СГА в клубнях могут рассматриваться гены, кодирующие ферменты PGA (относящиеся к подсемейству CYP72 цитохром-P450-зависимых монооксигеназ, катализирующие превращение гидрохолестерина в тригидрохолестерин) и SGT (СГА-гликозилтрансферазы, осуществляющие превращение соланидина в его токсичные гликозилированные производные – α-соланин и α-хаконин). Описаны цис-регуляторные элементы в промоторных областях некоторых генов биосинтеза гликоалкалоидов, включая элементы, ответственные за тканеспецифичную экспрессию. Накопленные сведения служат основой для создания генотипов картофеля с тканеспецифичной регуляцией СГА, в которых при сохранении высокого уровня СГА в листьях для защиты от патогенов и вредителей будет подавляться синтез токсических веществ в клубнях

Задача повышения устойчивости сортов к болезням и вредителям является приоритетной для селекции картофеля. Многие сорта, созданные селекционерами северо-западной зоны Российской Федерации, являются многовидовыми гибридами, обладают комплексной устойчивостью к наиболее вредоносным патогенам в сочетании с высокой пластичностью, о чем свидетельствует их районирование в разных регионах нашей страны. В статье представлены результаты молекулярного скрининга сортов и гибридов, созданных в разные годы в ЛенНИИСХ «Белогорка» и в ООО Селекционная фирма «ЛиГа». Молекулярный скрининг проведен с использованием 22 маркеров 14 R-генов устойчивости к вирусам PVY и PVX, к цистообразующим нематодам – Globodera pallida (патотипы Pa2, Ра3) и G. rostochiensis (патотип Ro1) и к фитофторозу. Данные молекулярно-генетического анализа сопоставлялись с результатами Государственного испытания сортов на устойчивость к болезням и с другими опубликованными источниками. В работе использованы также маркеры стерильных и фертильных типов цитоплазм. По результатам молекулярного скрининга выделены сорта и гибриды c разными сочетаниями маркеров R-генов (Ry_sto, Ry-f_sto, Rx1, Rx2, Gro1-4, H1, Gpa2, R1, R3a, Rpi-blb1, Rpi-sto1), обладающие D-, T-, W/gamma стерильными типами цитоплазм. Анализ фертильности пыльцы, результатов скрещиваний и данных родословных показал, что селекционерам удалось получить фертильные формы с D- и Т-типами цитоплазм, несущие генетический материал мексиканских полиплоидных видов Solanum stoloniferum и S. demissum. Информация о наличии у гибридов и сортов маркеров R-генов и о типах цитоплазм, полученная в настоящей работе, позволит повысить эффективность дальнейших селекционных программ, в том числе направленных на пирамидирование генов устойчивости к патогенам. Данные молекулярного скрининга позволили уточнить родословные ряда сортов и гибридов, которые создавались на протяжении нескольких десятилетий.

Опушение – один из важных биотических факторов защиты растений от повреждающих факторов среды. Интерес к изучению опушения картофеля связан преимущественно с тем, что оно играет заметную роль в защите растений от насекомых-вредителей. Обзор посвящен функциональной роли и генетическому контролю опушения листьев у картофеля. Рассматриваются морфологические особенности опушения картофеля, которое состоит из несекретирующих и секретирующих трихом нескольких типов. Соотношение трихом разных типов у разных видов картофеля отличается большим разнообразием, характерным в первую очередь для дикорастущих видов. Опушение может служить классифицирующим признаком. Описана роль трихом как «фабрик» вторичных метаболитов картофеля, среди которых сложные эфиры сахарозы и терпеновые производные, служащие репеллентами насекомых. Трихомы также синтезируют полифенолоксидазу, которая за счет окисления фенолов приводит к синтезу метаболитов, вредных для насекомых. Представлена информация об известных в настоящее время генах, ответственных за контроль опушения. Это гены, участвующие в формировании комплекса MYB-bHLH-WD40, который контролирует процессы дифференцировки и развития трихом у растений. У картофеля белки этого комплекса изучаются прежде всего в связи с регуляцией биосинтеза антоцианов. Фундаментальной основой для идентификации генов, контролирующих опушение картофеля, в настоящее время являются данные о последовательности полного генома картофеля. Это позволяет на основе анализа гомологии с генами модельных организмов идентифицировать гены-кандидаты, контролирующие важные признаки у картофеля. Работы в этом направлении уже ведутся, однако они находятся на начальном этапе. В заключительном разделе обзора описаны методы фенотипирования трихом, основанные на визуальном анализе микроскопических изображений (полученных с помощью как оптических, так и электронных микроскопов). Показана актуальность разработки новых высокопроизводительных подходов к изучению морфологии этого признака у картофеля.

В современном отечественном виноградарстве острой проблемой является совершенствование сортимента для создания высокоадаптивных насаждений и устойчивого производства конкурентоспособного винограда в нестабильных стрессовых погодных условиях умеренно континентального климата юга России. В этой связи актуально изучение происхождения, формирования и сохранения генетических ресурсов с целью их вовлечения в селекционный процесс для решения важнейших народно-хозяйственных задач. Возрастает роль сорта и ампелографических коллекций. Анапская ампелографическая кол­лекция (http://azosviv.info/category/osnovnye_razdely/anapskaya_ampelograficheskaya_kollekciya) является крупнейшим хранителем генофонда сортов винограда в России, завезенных из различных стран Европы, Азии, Америки и регионов России. В ней сконцентрирован 4921 сортообразец, в том числе Vitis vinifera L. – 2975, V. amurensis Rupr. – 40, V. labrusca L. – 50, меж-видовые сорта V. vinifera L.×V. amurensis Rupr. – 210, V. Vinifera L.× V. labrusca L. – 168, сложные межвидовые гибриды V. Vinifera L.×гибриды SV – 220, V. vinifera L.×V. amurensis Rupr.×гибриды SV – 70 и другие образцы. На коллекции ведется научноисследовательская работа по изучению сортов для производственных и селекционных целей. Выделяются сорта и формы по положительным хозяйственно ценным признакам – продуктивности, качественным показателям винограда, винопродукции, устойчивости к морозам, засухе и вредным организмам. Выделены, сохраняются и используются в селекции как источники хозяйственно ценных признаков на устойчивость к низким температурам во время зимовки сорта: Рислинг рейнский, Ркацители, Алиготе, Рислинг итальянский, Траминер розовый, Пино черный, Papa нягра, Каберне-Совиньон, Корна нягра, Пино серый, Гаме фрео, Саперави, Мускат оттонель, Мадлен Анжевин, Каберне фран, Хихви, Жемчуг саба, Шардоне, Красностоп Анапский, Достойный, Красностоп АЗОС и др. На базе коллекции создано 27 сортов и элитных форм, в том числе 12 сортов передано в Государственное сортоиспытание (Плутон, Мужественный, Гордый, Маран, Варваровский, Гармония, Прогресс, Горный, Сатурн, Дмитрий, Владимир, Курчанский). Проводятся молекулярно-генетические исследования накопленного генофонда и ДНК-паспортизация сортов. Изучен полиморфизм микросателлитных локусов в генотипах аборигенных донских и дагестанских сортов винограда. Выполняется ДНКпаспортизация сортов селекции СКФНЦСВВ, что перспективно для определения чистосортности посадочного материала и насаждений винограда, уточнения родительских форм образцов и в спорных вопросах авторства сорта.

Мобилизация и сохранение генетических ресурсов разнообразия культурных сортов груши и ее диких сородичей являются одним из основных аспектов при создании новых сортов современного интенсивного садоводства. Решающее значение при выведении сорта имеет подбор родительских пар, обладающих комплексом положительных признаков. Целью данной работы было изучение коллекционно-селекционных насаждений генофондовой коллекции груши Никитского ботанического сада по основным хозяйственнобиологическим признакам и отбор наиболее ценных сортообразцов для использования их в селекционных программах в качестве исходного материала, а также выполнение ДНК-фингерпринтинга и оценка генетического полиморфизма выборки перспективных сортов с применением анализа микросателлитных локусов. В результате многолетних исследований по комплексу признаков выделены сорта, представляющие интерес для использования в селекционных исследованиях: Гвардейская Зимняя, Изумрудная, Изюминка Крыма, Кельменчанка, Крымская Ароматная, Крымская Медовая, Лазурная, Мария, Мрия, Надежда Степи, Незабудка, Новосадовская, Ореанда Крыма, Отечественная, Тающая, Якимовская. Образцы представленных сортов были переданы для генотипирования. Для анализа генетического полиморфизма в изучаемой группе сортов использовали семь микросателлитных ДНК-маркеров: EMPc108, EMPc117, EMPc115, CH04e03 и CH01d09, CH01f07a, CH01d08, которые были сгруппированы в два мультиплексных набора. SSR-маркеры значительно различались по уровню полиморфизма: было выявлено от трех (маркер CH04e03) до 11 (EMPc115) аллелей на локус. При этом показатель эффективного числа аллелей варьировал от 1.37 до 4.65. На основании данных оценки полиморфизма SSR-маркеров проведен анализ степени генетического сходства изученных сортов груши, который позволил оценить генетические взаимосвязи в изученной выборке генотипов. Полученные SSR-фингерпринты сортов будут использованы в качестве исходных данных для создания базы данных ДНК-паспортов сортов генофондовой коллекции груши НБС-ННЦ.

Самая распространенная и вредоносная болезнь сельскохозяйственной культуры рис – это «ожог», вызываемый грибом Magnoporthe grisea (Hebert) Barr, возбудителем пирикуляриоза риса. Актуальным направлением современной отечественной селекции риса является создание высокоурожайных сортов, устойчивых к этому патогену. Для решения поставленной задачи важен поиск источников и доноров устойчивости к краснодарской популяции гриба среди экотипов различного эколого-географического происхождения. Оценка коллекционного разнообразия риса на устойчивость к пирикуляриозу проведена как на естественном фоне, так и на инфекционно-провокационном. Иммунологическую оценку и фенотипирование проводили в 2015–2017 гг. на 154 сортах вида Oryza sativa L. из семи эколого-географических зон возделывания культуры. За годы исследований интенсивность развития болезни по сортам варьировала от 1.1 до 77.8 %. Выявлены различия по устойчивости сортов риса к патогену между экологическими группами и странами. Большинство изученных образцов риса проявляли среднюю устойчивость, выделена 51 резистентная форма. Устойчивые формы чаще встречались среди генплазмы из Китая, Италии, Филиппин и Кореи, а неустойчивые – из африканских стран, Японии, Приморья и Вьетнама. Выделены интродуцированные образцы, резистентные к заболеванию и адаптированные к почвенно-климатическим условиям и технологиям выращивания риса на Кубани, которые включены в селекционную схему создания устойчивых к патогену сортов риса с расширением их генетической основы. Приведены данные вариации морфологических признаков и скорости развития растений сортов международной селекции из 24 стран в условиях юга России. Представлены результаты сравнения генплазмы риса отечественной и зарубежной селекции по степени устойчивости к патогену в условиях естественного заражения в полевом опыте за пять лет. В результате оценки степени устойчивости растений к краснодарской популяции патогена из международного набора сортов-дифференциаторов генов вирулентности гриба определены эффективные гены устойчивости к патогену для селекционных программ юга России и молекулярно-генетического анализа коллекционного разнообразия риса: Pi-1, Pi-z, Pi-ta, Pi-z5, Pi-9, Pi-5(t), Pi-t, Pi-19.

В России ранее выращивали только низкоамилозные короткозерные сорта риса, но в последнее время в связи с ростом культуры потребления этого злака назрела необходимость создания отечественных сортов с различными характеристиками качества зерна. Несмотря на значительное число зарубежных работ по локализации генов, определяющих качество зерна риса, до сих пор нет аналогичных российских работ, что сдерживает темпы селекции данного направления. Целью нашего исследования стало выявление участков хромосом, несущих гены, определяющие признаки качества у отечественных сортов риса, и оценка пригодности использования маркерных локусов, идентифицированных в исследованиях зарубежных образцов, при работе с отечественным генофондом. В работе участвовали как нейтральные, так и связанные с признаками качества маркеры. С использованием 57 SSR-маркеров изучен полиморфизм отечественных сортов риса, контрастных по признакам «масса 1000 зерен», «стекловидность», «пленчатость» и «содержание целого ядра в крупе». Показано, что 12 изученных маркеров достоверно разделяли группы с различной формой зерновки, три маркера – с различным выходом целого ядра, и по одному маркеру – группы с различной стекловидностью и пленчатостью. Маркеры, достоверно разделяющие группы сортов с различной массой 1000 зерен, выходом крупы, содержанием белка, амилозы, не выявлены. Для семи хромосомных регионов, на которых расположены маркеры RM3276, RM5707, RM5508, RM7110, RM509, RM600, RM136, ассоциация с какими-либо признаками качества выявлена впервые. Возможно, в них расположены гены, определяющие качество зерна риса, которые специфичны для отечественных сортов.

Изучен минеральный состав зерна интрогрессивных форм мягкой пшеницы в сравнении с дикими сородичами и сортами. Высокий уровень содержания макро- и микроэлементов (N, P, K, Mg, S, Ca, Mn, Fe, Zn, Cd, Cu) выявлен у диких видов Aegilops ovata и Ae. triuncialis, общий повышенный фон – у сородичей относительно современных сортов Triticum aestivum (стандарты). По содержанию макро- и микроэлементов интрогрессивные формы пшеницы занимали промежуточное положение между дикими сородичами и современными сортами. Выявлены переходные формы (Жетысу× T. militinae; Жетысу×T. kiharae; Безостая 1×Ae. cylindrica) с уровнем минерального состава, характерным для диких форм. Все изученные генотипы дифференцированы на три кластера. Первый состоит преимущественно из интрогрессивных форм, Ae. triaristata и сорта Комсомольская 1, в происхождении которого участвовали дикие формы. Второй кластер включает в основном сорта (родительские формы), T. timopheevii и интрогрессивную форму Стекловидная 24×T. militinae. В третий кластер входят виды T. militinae, T. kiharae, Ae. cylindrica и интрогрессивные формы с их участием: Жетысу×T. militinae и Безостая 1×Ae. cylindrica. Такое деление позволяет классифицировать генотипы по уровню метаболизма: дикие сородичи (третий кластер), сорта (второй кластер) и промежуточный – интрогрессивные формы (первый кластер). В целом включение культурных форм (беккроссирование с районированными сортами) в скрещивания с интрогрессивными формами, как правило, сопровождается снижением общего метаболического уровня, но специфично относительно сортов и диких видов, характеризующихся полиморфизмом. Выявлены источники высокого содержания макро- и микроэлементов – дикие сородичи и интрогрессивные формы, часть из которых использовалась в качестве доноров при скрещивании с сортами. По результатам топкроссных скрещиваний со стандартами – коммерческими и наиболее распространенными сортами Стекловидная 24, Алмалы, Жетысу – для двух константных линий (Безостая 1×Ae. cylindrica)×T. kiharae и Жетысу×T. kiharae выявлена передача содержания K, P, Mg, S, Fe, Mn, Zn и P, Mg, N потомству этих генотипов в F₂–F₃ поколениях.

Проведена оценка синтетических форм Тriticum miguschovae (GGAADD), Тriticum palmovae (A^bA^bDD), T. durum (M. it.)/Ae. Tauschii (BBAADD) и созданных на их основе интрогрессивных линий мягкой пшеницы на устойчивость к листовой ржавчине. Т. Miguschovae и Т. palmovae проявили полный иммунитет, симптомы поражения отсутствовали. Синтетическая форма T. durum (M. it.)/Ae. Tauschii проявляет высокую устойчивость. Отобраны 22 устойчивые к листовой ржавчине линии мягкой пшеницы с генетическим материалом T. miguschovae, 10 линий с генетическим материалом T. Durum (M. it.)/Ae. tauschii и 4 линии, полученные на основе Т. palmovaе. С использованием молекулярных маркеров проведен скрининг на присутствие генов устойчивости к листовой ржавчине Lr21, Lr26, Lr32, Lr39. Синтетические формы T. miguschovae, Т. palmovae, T. Durum (M. it.)/Ae. tauschii несут маркер GDM35, сцепленный с геном Lr39. Присутствие маркеров Lr21F/R и BARC135, сцепленных с генами Lr21 и Lr32 соответственно, не было выявлено. Показано, что устойчивость к листовой ржавчине в линиях 729, 1555, 2203, 2289, 2295, 2296, 4155, 4171, полученных на основе T. miguschovae, линиях 3261, 3265, полученных на основе Т. palmovaе, и в линии 4141 с генетическим материалом T. durum (M. it.)/Ae. tauschii контролируется присутствием гена Lr39. Маркер SCM9, указывающий на наличие транслокации 1BL.1RS с геном Lr26, наследуемой от сорта Кавказ, выявлен в 15 линиях, полученных на основе T. miguschovae, в двух линиях с генетическим материалом от T. durum (M. it.)/ Ae. tauschii и в одной линии, полученной с участием Т. palmovae. Линии 729, 1555, 2203, 2289, 2295, 2296, 4155, 4171, полученные с участием T. miguschovae, и линия 3261 с участием Т. palmovae несут комбинацию генов (Lr39+Lr26).

Одуванчик осенний (Taraxacum hybernum Steven) – растение-каучуконос, одно из альтернативных гевее бразильской растений. В России произрастает только на Крымском полуострове, поэтому его часто называют крым-сагыз. Несмотря на свою потенциальную хозяйственную ценность, генетическая структура крымской популяции одуванчика осеннего на сегодняшний день остается неизученной. В связи с этим целью нашей работы была сравнительная молекулярно-генетическая характеристика одуванчика осеннего из различных местообитаний Крымского полуострова при использовании SSR-, RAPD- и ISSR-маркеров. В результате проведенной работы из десяти географических точек Крымского полуострова были собраны семянки, листья и корни одуванчика осеннего. В целом одуванчик осенний обнаружен нами в пределах западной части Южного берега Крыма и западной части Крымских Предгорий – двух основных регионов его произрастания на полуострове. Из сухих листьев анализируемых растений при помощи цетилтриметиламмоний бромида была выделена тотальная ДНК. Впервые на одуванчике осеннем были испытаны 12 SSR- и по три RAPD- и ISSR-маркера. Полиморфизм RAPD- и ISSR-фрагментов определяли аналитическим электрофорезом в 1.7 % агарозном геле. Для сравнительного анализа длин SSR-фрагментов использовали гель-электрофорез в 8 % полиакриламидном геле. В результате проведенной работы была показана гомогенность крымской популяции одуванчика осеннего, что может быть связано с небольшой областью распространения и апомиктичным способом размножения этого вида. Однако известные по литературным данным фенотипические различия внутри крымской популяции говорят о необходимости продолжения исследований полиморфизма ДНК одуванчика осеннего, в том числе с использованием высокоразрешающих методов анализа.

 

Горох посевной Pisum sativum широко культивируется в России и в мире. Продуктивность гороха во многом зависит от его способности образовывать симбиоз с клубеньковыми бактериями. Ранее было показано, что на симбиотическую активность гороха оказывает существенное влияние работа сахаролитических ферментов. Одним из важнейших ферментов углеводного метаболизма является сахарозосинтаза Sus1, которая осуществляет реакцию обратимого гидролиза сахарозы до УДФ-глюкозы и фруктозы. В настоящей статье охарактеризована внутривидовая вариабельность гена Sus1 у 14 образцов гороха Pisum sativum. Длина полученных генов варьировала от 3514 до 3532 п.н. Все гены имели сходную структуру и состояли из 13 экзонов и 12 интронов и по своему строению были отнесены к SUS1-группе двудольных растений. В составе нуклеотидных последовательностей выявлено 125 SNP. Интронные последовательности помимо единичных нуклеотидных замен содержали шесть инделей, вследствие чего их протяженность варьировала от 1093 до 1111 п.н. Наиболее вариабельным оказался интрон III. В кодирующих последовательностях найдено 47 SNP, при этом наиболее вариабельным у P. sativum оказался экзон II. Среди выявленных в экзонах единичных замен 16 приводили к замещению аминокислотных остатков, при этом шесть замещений потенциально могут влиять на функционирование белка. В составе транслированной аминокислотной последовательности выявлены активные сайты и консервативные мотивы, последовательности которых инвариантны у всех исследуемых образцов. На основе биоинформационного анализа аминокислотной последовательности предложена гипотетическая модель третичной структуры белка Sus1. Согласно этой модели, белок представляет собой тетрамер, каждая субъединица которого имеет трехдоменную структуру. В результате проведенного филогенетического анализа с использованием полученных последовательностей, а также известных гомологов генов сахарозосинтаз бобовых было показано, что гены Sus1 и Sus3 эволюционно ближе друг к другу, чем к Sus2. Также выдвинута гипотеза о том, что гены семейства сахарозосинтаз дивергировали раньше, чем произошло разделение бобовых на виды.

Картофель (Solanum tuberosum L.) является одной из важнейших продовольственных культур, преимущество которой заключается в способности давать высокий урожай в широком спектре агроэкосистем и высоком удельном производстве сухой массы пищевого продукта на единицу возделываемой площади. Все большее внимание картофелю уделяется как источнику не только углеводов, но и витаминов, минералов, пищевых волокон и других полезных веществ. Культурные сорта картофеля отличаются низким внутривидовым разнообразием, что уменьшает их потенциал для создания сортов с улучшенными свойствами. Дикие сородичи картофеля сохраняют высокую степень генетического разнообразия, которое может быть использовано для поиска нужных аллелей и их дальнейшего переноса в возделываемые сорта. С этой целью в мире идет интенсивное развитие, изучение и углубленная инвентаризация генетических ресурсов картофеля, содержащихся в генбанках, для чего активно используются компьютерные технологии. Настоящий обзор посвящен мировым информационным ресурсам в области картофелеводства. Представлено описание наиболее актуальных порталов и баз данных генетических ресурсов по картофелю. Анализ показывает, что основные базы данных по коллекциям картофеля сосредоточены в США и Европе. Web-порталы предоставляют большое количество разнообразных сведений, полезных как производителям и потребителям, так и селекционерам. На таких порталах идет интенсивная информационная поддержка новейших технологий в области картофелеводства и селекции. Интересным направлением является предоставление услуг по анализу образцов картофеля (семенного и иного материала) с помощью ДНК-маркеров для установления соответствия генотипа исследуемого материала генотипу заявленного сорта, а также вовлечение производителей картофеля в сетевой процесс оперативного мониторинга заболеваний и вредителей картофеля. Важную роль на современном этапе играет интеграция данных по коллекциям картофеля. В этом направлении развиваются европейские коллекции и базы данных. Однако несмотря на существование общеевропейской коллекции картофеля, продолжается поддержка национальных коллекций. Важной тенденцией в последнее время стало включение в описание образцов коллекции большого количества (свыше сотни) характеристик, для оценки которых в рамках зарубежных государственных селекционных программ ведется постоянное тестирование сортообразцов. В результате доступа к такой информации селекционер имеет возможность эффективного планирования эксперимента с целью направленной селекции по ключевым признакам растений. Эти тенденции подтверждают эффективность применения новейших технологий (в том числе информационных) в области поддержания и распространения генетических ресурсов картофеля.

Активные формы кислорода (АФК) – один из ключевых повреждающих факторов для живых организмов. АФК производятся в реакциях нормального метаболизма, в стрессовых условиях их выработка повышается. Улучшение характеристик ферментативной системы антиоксидантной защиты культурных растений позволит повысить их устойчивость к абиотическим стрессам, таким как засоленность, засуха и холод. Однако компоненты системы вырождены – каждая реакция катализируется серией ферментов, кодируемых разными генами. Выбор наиболее важных компонентов позволит ускорить нахождение оптимальной селекционной стратегии для улучшения свойств всей системы у хозяйственно ценных видов растений. В настоящей работе впервые проведен системно-биологический анализ особенностей молекулярной эволюции и характеристик экспрессии генов, принадлежащих к четырем функциональным группам ферментов антиоксидантной защиты (APX, GPX, SOD и CAT), у шести представителей C₃ и трех представителей C₄ злаковых растений. Выделены и проанализированы 25 ортологических групп генов. Выявлены шесть ортологических групп с наиболее высоким уровнем экспрессии и наибольшим давлением стабилизирующего отбора для дальнейшей верификации и использования в селекции. Эти шесть ортологических групп, предположительно, вносят больший вклад в функционирование антиоксидантной системы изученных C₃ и C₄ злаковых растений. Показано, что интеграция эволюционных характеристик и экспрессионных данных представляет перспективный подход к предсказанию важных для селекции генов в геномах хозяйственно ценных растений.

Структура колоса – один из важнейших признаков злаков, связанный с такими их хозяйственно ценными качествами, как продуктивность, устойчивость к факторам внешней среды и вредителям, легкость обмолота. Колосья различаются по форме, размерам, плотности, остистости, цвету и т.д. Оценка характеристик колоса выполняется экспертом на основании визуального анализа и требует существенных затрат времени. Эффективность фенотипирования колосьев можно повысить за счет внедрения компьютерных технологий, организации хранения информации в базах данных, использования алгоритмов машинного обучения для анализа полученной информации. В настоящей работе представлен новый подход для сбора, хранения и анализа информации о морфометрических характеристиках колоса пшеницы. Разработано несколько протоколов получения цифровых изображений колоса. Создана компьютерная информационная система SpikeDroidDB, которая позволяет хранить цифровые изображения колоса, аннотировать их фенотипические характеристики (всего 14 признаков), предоставляет гибкую систему запросов для доступа к данным. В системе SpikeDroidDB для растений взаимосвязанным образом описываются генотип, фенотип, место и условия выращивания. Web-интерфейс системы SpikeDroidDB доступен по адресу http://spikedroid. biores.cytogen.ru/ и позволяет работать с системой как со стационарных компьютеров, так и с мобильных устройств. С использованием SpikeDroidDB произведена оцифровка и аннотация коллекции колосьев гибридов F₂ от скрещивания австралийского сорта мягкой пшеницы Triple Dirk с образцом KU506 китайской пшеницы Triticum yunnanense. Проведен анализ изменчивости колосьев по форме, длине и ширине.

Разработка и совершенствование методов математического моделирования биологических систем – актуальное направление математической биологии. В статье рассмотрена система общего вида дифференциальных уравнений первого порядка с постоянными запаздывающими аргументами, широко используемая в качестве математического аппарата для описания и анализа динамики функционирования биологических систем практически на всех уровнях их организации. К основной особенности данного класса моделей относится то, что некоторые процессы, явно протекающие в биосистемах (например, стадии элонгации синтеза ДНК, РНК, белков), описываются в скрытой форме и в модели проявлены только через запаздывающие аргументы. В настоящей работе мы предлагаем алгоритм переписывания систем с постоянными запаздывающими аргументами в эквивалентной форме, представляющей систему дифференциальных уравнений в частных производных с уравнениями переноса. Алгоритм переписывания универсален, поскольку не накладывает каких-либо специальных условий на вид правых частей систем с запаздывающими аргументами. Предложенный алгоритм является многовариантным, т.е. позволяет по одной системе дифференциальных уравнений с запаздывающими аргументами выписывать несколько специальных систем дифференциальных уравнений в частных производных, которые на множестве решений эквивалентны исходной системе с запаздывающим аргументом. Полученные результаты демонстрируют, что постоянные запаздывающие аргументы и уравнения переноса с постоянными коэффициентами являются равноценными математическими аппаратами для описания всех типов динамических процессов переноса энергии и/или вещества в биологических, химических и физических системах. В то же время системы уравнений с частными производными позволяют описывать в явном виде, в форме уравнений переноса, те процессы, которые скрыты в запаздывающем аргументе. Это весьма важное свойство, если речь идет о моделировании молекулярно-генетических систем, в которых процессы синтеза ДНК, РНК и белков протекают с неравномерной скоростью и в определенных задачах требуют учета, что легко можно сделать в моделях, построенных с использованием математического аппарата частных производных.

Гены человека HBB, HBD и F9 относятся к системе кроветворения. Недостаток или избыток продуктов этих генов является причиной наследственных талассемий разной тяжести и гемофилии В Лейдена. Ранее нами было показано, что ряд аннотированных однонуклеотидных полиморфизмов (SNPs) ТАТА-боксов этих генов, ассоциированных с возникновением ß-, δ-талассемий и гемофилии В Лейдена влияет на взаимодействие с ТАТА-связывающим белком (TBP), изменение взаимодействия пропорционально изменению количества продуктов этих генов. В настоящей работе исследуется влияние редких неаннотированных SNPs ТАТА-боксов этих генов на взаимодействие ТАТА-связывающего белка. Для изучения кинетических характеристик образования комплексов ТВР/ТАТА in vitro используются двуцепочечные олигодезоксинуклеотиды, идентичные ТАТА-содержащим участкам промоторов генов HBB, HBD и F9 (нормальным и минорным аллелям), и рекомбинантный ТВР человека. Показано, что замена –25A > C (rs281864525) и делеция –25АА (rs63750953) ТАТА-бокса гена ß-глобина одинаково влияют на аффинность ТВР/ТАТА, которая падает в обоих случаях в три раза, но значительно различается влияние этих SNPs на скорость образования комплексов ТВР/ТАТА: –25A > C приводит к снижению скорости в пять раз, а делеция (–25AA) – к снижению скорости более чем в семь раз. Различное влияние замен оказывается и на прочность комплексов ТВР/ТАТА. Если в случае –25A > C прочность комплексов увеличивается в 1.8 раза, то при делеции –25АА прочность комплексов возрастает в 2.4 раза, несмотря на уменьшение сродства ТАТА-связывающего белка к ТАТА-боксу. Сравнение изменения экспериментальных значений сродства (KD) ТВР/ТАТА нормальных и минорных аллелей c прогнозируемыми показало, что данные хорошо коррелируют друг с другом: коэффициент линейной корреляции r = 0.94 (α < 0.0001). Комплексный подход к изучению редких полиморфизмов может привести к определению наиболее чувствительных маркеров орфанных заболеваний, что внесет вклад в разработку надежных и быстрых методов их диагностирования и лечения.

В мире болезнью Паркинсона (БП) страдают 7–10 млн человек, в России – около 210 тыс. человек. Эта болезнь сопровождается дегенерацией дофаминергических нейронов, в связи с чем нейрональный апоптоз рассматривается как важнейший фактор данного заболевания. Одним из ключевых подходов в системной биологии служит анализ генных сетей. Ранее нами была разработана система ANDSystem, предназначенная для автоматического извлечения знаний из научных публикаций и реконструкции на этой основе ассоциативных генных сетей, описывающих молекулярно-генетические механизмы биологических процессов в норме и при патологии. Целью работы было применение системы ANDSystem для приоритизации генов нейронального апоптоза, характеризующей их вовлеченность в патологические механизмы, с учетом структуры ассоциативной генной сети БП. Анализ центральности генов нейронального апоптоза, ассоциированных с БП, по данным ANDSystem, в ассоциативной генной сети БП показал, что среднее значение их центральностей по степени, близости и посредничеству статистически значимо превышает таковое, рассчитанное по всем вершинам сети БП. Среди генов, обладающих наибольшими показателями центральности, оказались APOE, CASP3 и GAPDH, играющие важную роль в нейрональном апоптозе. Приоритизация генов нейронального апоптоза, для которых в системе ANDSystem не было данных об их ассоциации с БП, проводилась с использованием стандартных методов (Endeavor и ToppGene), а также критериев центральности и специфичности их взаимодействий с ас­социативной генной сетью БП. Показано, что среди генов, обладающих наивысшим приоритетом (рассматривались 50, 70, 100 наиболее приоритетных), преимущественно представлены гены, вовлеченные в положительную и отрицательную регуляцию нейронального апоптоза, сигнальные пути MAPK и Eph-рецепторов и др., в частности TP53, JUN, BCL2, PIK3CA и APP.