Центральной проблемой, которую исследовал Н.И. Вавилов, было учение о мировом генофонде культурных растений. Теоретическую основу этого учения составили: закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, разработка проблемы вида как системы, ботанико-географические основы селекции и теория центров происхождения культурных растений. Собранная Н.И. Вавиловым и его соратниками со всех уголков мира коллекция генетических ресурсов растений ВИР, представляющая всю полноту ботанического, морфологического и генетического разнообразия, позволяет проводить исторические, эволюционные, филогенетические и прикладные селекционные исследования, направленные на раскрытие потенциала всего коллекционного материала. Положения Н.И. Вавилова по комплексному анализу всего видового и внутривидового разнообразия культурных и диких видов дают возможность сделать верные выводы при изучении сложных экологически дифференцированных видовых систем, связанных в своем формировании с определенной средой и воздействием отбора. Все разнообразие видов культурного овса, как было доказано Н.И. Вавиловым, имеет сорно-полевое происхождение. Этот процесс можно наглядно проследить в Испании – на примере культурного диплоидного вида Avena strigosa, в Эфиопии – A. abyssinica, в Турции и Иране – A. byzantina и на сорно-полевых формах A. sativa. Изучение комплекса морфологических признаков не дает полного представления об эволюционном и систематическом положении некоторых видов и форм овса. Для исследования полиморфизма, филогении и эволюции овса перспективны активно разрабатываемые в настоящее время методы и подходы с использованием ДНК-маркеров и геномных технологий. Появился ряд работ, затрагивающих молекулярные аспекты эволюции и филогении рода Avena. В исследованиях используют различные маркеры генов, участков генов, межгенных спейсеров (внутренних и внешних), как ядерных, так и хлоропластных и митохондриальных, геномные подходы и другие современные методы. На основе комплексного изучения полного внутривидового разнообразия из разных зон ареала культурных видов овса и анализа данных по географическому распределению ареалов форм и видов установлено, что процесс формирования гексаплоидных видов шел также в западной части Средиземноморья, и затем при продвижении на восток эти формы стали занимать значительные пространства в районе Юго-Западного Азиатского центра, образуя большое внутривидовое разнообразие диких и переходных сорных форм к культурным видам гексаплоидного овса. В результате анализа внутривидового разнообразия староместных сортов были уточнены центры формообразования всех культурных видов овса. Осуществленный с помощью метода секвенирования следующего поколения (NGS) филогенетический анализ представительного внутривидового разнообразия культурных и диких видов рода Avena показал, что диплоидные виды с вариантами генома А в действительности являются не первичными диплоидами, а своеобразным средиземноморским интрогрессивно-гибридизационным комплексом видов, спорадически вступающих в межвидовые скрещивания. Установлено, что тетраплоидный культурный вид A. abyssinica, вероятнее всего, происходит от дикого вида A. vaviloviana. Анализ путей одомашнивания культурных видов овса A. sativa и A. byzantina показал, что наиболее массовый риботип гексаплоида A. sativa унаследован от A. ludoviciana, а второй по массовости – от A. magna, в то же время A. byzantina обладает двумя уникальными семействами риботипов, скорее всего, унаследованными от вымершего вида овса или криптовида, до сегодняшнего дня не обнаруженного.

Пшеница, являясь одной из трех основных продовольственных культур мира, занимает самый широкий ареал за счет адаптивности к разнообразным условиям возделывания. В обзоре рассматриваются полиморфизм и аллельная изменчивость генов Vrn (от англ. response to vernalization), контролирующих важнейшие адаптационные признаки пшениц – тип (яровость vs. озимость) и скорость развития у диких и возделываемых видов пшениц (род Triticum L.). Суммируется информация об аллельном разнообразии генов Vrn и обсуждается связь полиморфизмов этих генов на молекулярном уровне с их влиянием не только на признак «тип развития (яровость vs. озимость)», но и на признак «скороспелость (длина вегетационного периода яровых растений, ДВП)» у ди-, тетра- и гексаплоидных видов. Предпринята попытка связать полученную информацию о мутациях (полиморфизмах) доминантных аллелей генов Vrn с выраженностью наиболее важного с хозяйственной точки зрения признака «продолжительность ДВП (скороспелость)», которая ранее в обзорах не предпринималась. Рассматривается влияние мутаций (полиморфизмов) в последовательностях рецессивных генов vrn на признак «потребность в яровизации» у озимых форм растений пшениц и выполнена его формализация. Обсуждается эволюция озимости/яровости в роде Triticum. На основе выявленных полиморфизмов построена схема филогенетических взаимодействий аллелей генов Vrn и рассматриваются возможности расширения полиморфизма по доминантным генам Vrn и их аллелям за счет видов-сородичей и редко используемых алелей и перспективы селекции на изменение ДВП (скороспелости) для конкретных зон возделывания.

Сателлитные повторы составляют значительную часть генома Пшеницевых, играя важную роль в видообразовании, что делает их ценным инструментом для изучения этих процессов. Особое место среди злаков занимают виды Pseudoroegneria – наиболее вероятные доноры St-генома у многих полиплоидов. Цель настоя щего исследования состояла в сравнительной оценке копийности сателлитных повторов в геномах Triticeae. С по мощью количественной полимеразной цепной реакции в реальном времени была установлена копийность 22 сателлитных повторов, выявленных в полногеномных нуклеотидных последовательностях видов Pseudoroegneria, и одного ранее опубликованного повтора, обнаруженного в геноме Aegilops crassa. Объектами анализа стали семь видов Pseudoroegneria, три вида Thinopyrum, Elymus pendulinus, Ae. tauschii, Secale cereale и Triticum aestivum. По уровню копийности и коэффициентам вариации нами выделено три группы повторов: с низким уровнем вариативности между видами (среднекопийный CL82), средним уровнем вариативности (низко- и среднекопийные CL67, CL3, CL185, CL119, CL192, CL89, CL115, CL95, CL168) и с высокими значениями коэффициента вариации (CL190, CL184, CL300, CL128, CL207, CL69, CL220, CL101, CL262, CL186, CL134, CL251, CL244). Повтор CL69 показал специфическую высокую копийность для всех видов Pseudoroegneria, CL101 – у Pseudoroegneria и Th. junceum, CL244 – у Th. bessarabicum, CL184 – у P. cognata и S. cereale. У P. cognata более высокую копийность, по сравнению с остальными видами, проявили повторы CL95, CL128, CL168, CL186, CL207, CL300; у P. kosaninii – CL3, CL95, CL115, CL119, CL190, CL220, CL207 и CL300; у P. libanotica – CL89; у P. geniculata – CL134. Проведенные нами оценка копийности сателлитных повторов, найденных в St-геноме, и анализ специфичности их амплификации между видами могут пополнить арсенал молекулярно-генетических и цитогенетических маркеров, используемых для эволю ционных, филогенетических и популяционных исследований представителей трибы Пшеницевых.

Линии хлопчатника Gossypium hirsutum L. с чужеродным замещением хромосом тетраплоидных видов G. barbadense L., G. tomentosum Nutt. ex Seem., G. mustelinum Miers ex Watt. являются ценным источником для селекции, увеличивающим генетическое разнообразие G. hirsutum. Замещение определенных хромосом хлопчатника вида G. hirsutum L. хромосомами вида G. barbadense оказывает влияние на удлинение, выход и прочность волокна, микронейр. Для повышения эффективности процесса создания линий необходимо изучение характера интрогрессии чужеродных хромосом в геном G. hirsutum L. В результате молекулярно-генетического анализа гибридов BC₂F₁, полученных от скрещиваний моносомных линий хлопчатника G. hirsutum цитогенетической коллекции Узбекистана с моносомными беккроссными гибридами BC₁F₁ G. hirsutum × G. barbadense по одинаковым хромосомам, обнаружены генетические различия по профилю хромосом-специфичных микросателлитных SSR-маркеров между гибридами. Выявлена преимущественная интрогрессия хромосом 4, 6, 12 A_t-субгенома и 22 D_t-субгенома G. barbadense, тогда как хромосомы 2, 7 A_t-субгенома и 18 D_t-субгенома G. barbadense характеризовались элиминацией, среди них хромосомы 7 A_t-субгенома и 18 D_t-субгенома G. barbadense элиминировали уже в первом беккроссном поколении. В настоящей работе проанализированы две линии, CS-B06 и CS-B07, американской цитогенетической коллекции с предполагаемым замещением по хромосомам 6 и 7 А_t-субгенома. Обнаружены присутствие только полиморфных аллелей вида G. hirsutum и отсутствие полиморфных аллелей вида G. barbadense, что показало отсутствие замещения по этим хромосомам. Гибриды BC₂F₁ с моносомией как по хромосомам G. barbadense, так и по хромосомам G. hirsutum характеризовались регулярной конъюгацией хромосом и высоким мейотическим индексом. Однако многие гибриды отличались снижением фертильности пыльцы. Два гибрида с моносомией по хромосоме 7 A_t-субгенома G. hirsutum и хромосоме 6 A_t-субгенома G. barbadense имели наибольшую редукцию в жизнеспособности пыльцы (70.09 ± 1.57 и 75.00 ± 1.66 % соответственно). Таким образом, в этой работе показана особенность в интрогрессии индивидуальных хромосом хлопчатника вида G. barbadense в геном хлопчатника G. hirsutum.

Феномен импорта ДНК в митохондрии показан для всех основных групп эукариот. В растениях и животных импорт ДНК, по-видимому, происходит различными путями. Известно, что в растительные органеллы нуклеиновые кислоты попадают по альтернативным каналам в зависимости от размера импортируемых молекул. Импорт ДНК небольшого размера (до 300 п. н.) частично перекрывается с механизмом импорта тРНК, по крайней мере, на уровне внешней мембраны. Примечательно, что у растений в импорт тРНК вовлечены компоненты аппарата импорта белков, чья роль в транспорте ДНК до настоящего времени оставалась неизученной. В настоящей работе мы провели исследование роли отдельных компонентов транслоказы внутренней мембраны TIM в процессе импорта ДНК в изолированные митохондрии арабидопсиса и их возможной связи с порином VDAC1. С использованием нокаут-мутантов по генам, кодирующим изоформы белков Tim17 или Tim23, мы впервые показали участие этих белков в импорте фрагментов ДНК разной длины. Кроме того, ингибирование транспортных каналов специфическими антителами к VDAC1 приводило к снижению уровня импорта ДНК в митохондрии дикого типа, что позволило установить специфическое участие этой изоформы порина в импорте ДНК. В нокаут-мутанте tim17-1 происходило дополнительное снижение эффективности импорта ДНК в присутствии антител к VDAC1 в сравнении с линией дикого типа. Полученные результаты указывают на участие белков Tim17-1 и Tim23-2 в аппарате импорта ДНК в растительные митохондрии. При этом Tim23-2 может быть часть канала, формируемого при участии VDAC1, в то время как Tim17-1, по-видимому, вовлечен в альтернативный, независимый от VDAC1, путь импорта ДНК. Выявление мембранных белков-переносчиков, участвующих в различных путях импорта ДНК, позволит использовать природную способность митохондрий к поглощению ДНК в качестве удобного биотехнологического инструмента для трансформации митохондриального генома.

У многих сельскохозяйственных растений для формирования семян необходимы не только фотосинтез листьев, но также фотохимические реакции, происходящие в семенах. Цель нашей работы заключалась в сравнительном анализе светопропускания и фотохимической активности листьев, перикарпия, кожуры и семядолей Pisum sativum L. на ранней, средней и поздней стадиях созревания семян. Спектральный состав света измеряли при помощи спектрорадиометра в области 390–760 нм. Светопропускание растительных тканей оценивали, разместив растительную ткань между источником освещения и датчиком спектрорадиометра. Фотохимическую активность растительных тканей определяли методом РАМ-флуориметрии, позволяющим оценить эффективность преобразования световой энергии в химическую путем анализа кинетики возбуждения и гашения флуоресценции хлорофиллов. Фотохимически активный зеленый лист гороха пропускал в среднем 15 % солнечной радиации в диапазоне 390–760 нм; при этом синий свет задерживался полностью, а количество проходящего красного света составляло не более 5 %. Фотохимически активная радиация, проходящая сквозь перикарпий и кожуру и достигающая семядолей на ранней и средней стадиях созревания семян, характеризовалась высокой долей зеленого и дальнего красного света, при этом синий свет отсутствовал, а количество красного света составляло около 2 %. Однако, несмотря на низкую энергетическую освещенность и спектральные диапазоны, не характерные для фотосинтеза листа, семядоли были фотохимически активными. На ранней и средней стадиях созревания максимальный квантовый выход фотосистемы II (Fv/Fm) в среднем составлял 0.5 на периферии семядолей и 0.3 в центре семядолей. Поскольку интенсивность эмбриональных фотохимических реакций в значительной степени влияет на эффективность накопления запасных питательных веществ, этот параметр является перспективным маркером для селекции семян гороха с улучшенными пищевыми качествами.

К основным факторам, влияющим на формирование высокого урожая, относятся связь генотипа сорта с условиями произрастания и фитопатогенная нагрузка, что необходимо учитывать в селекции для поиска доноров устойчивости и высокой выраженности ценных признаков. Изучение устойчивости 49 образцов мягкой пшеницы к поражению бурой ржавчиной проведено в полевых условиях естественного инфекционного фона и в лабораторных условиях к монопустульным изолятам с вирулентностью к генам Lr9 и Lr24. Показано, что сорта, несущие чужеродные гены Lr6Agi2 (Тулайковская 10) и Lr6Agi1 (Воевода), устойчивы к поражению бурой ржавчиной как в полевых условиях, так и при заражении в лаборатории. Сорта KWS Buran, KWS Akvilon, KW 240-3-13 и Этюд, которые формировали урожайность от 417 до 514 г/м2 – на уровне лучшего стандарта Сибирской 17, целесообразно использовать в условиях Западной Сибири в качестве доноров гена устойчивости Lr24. Донором генов устойчивости Lr19 и частично эффективного Lr26 может служить сорт Омская 44, характеризующийся урожайностью 440 г/м2. Сорта Тулеевская и Алтайская 110, в геноме которых содержится ген Lr9, рекомендуется использовать при создании генотипов с пирамидой генов устойчивости. Наиболее высокие показатели содержания белка и клейковины выявлены у образца CS2A/2M, наименьшие – у сортообразцов KWS Buran, Алтайская 110, Волгоуральская и KWS Akvilon. Сравнение коллекции образцов мягкой пшеницы по микро- (Cu, Mn, Zn, Fe) и макроэлементам (Ca, Mg, K) продемонстрировало наиболее высокие показатели у группы, состоящей из образцов CS2A/2M, Тулайковская 10, Pavon и Тулеевская. Наименьшие показатели большинства элементов определены у сортов KWS Buran, Новосибирская 15 и Волгоуральская. Озимые сорта, характеризующиеся устойчивостью к поражению бурой ржавчиной в условиях инфекционного фона, как правило, несут возрастные гены устойчивости (Lr34, Lr12 и Lr13), в том числе в сочетании с ювенильным геном Lr26. У линии с озимым типом развития (KS 93 U 62) выявлен ген Lr41, благодаря чему линия сохраняла устойчивость к поражению клоном патогена бурой ржавчины кLr24, несмотря на наличие в ее генотипе гена Lr24. Сорта Дока и Чешская 17 могут быть донорами генов устойчивости Lr26 + Lr34 и Lr9 + Lr12 + Lr13 + Lr34 и источниками короткостебельности без снижения зимостойкости и урожайности в условиях Западной Сибири.

РНК-­интерференция представляет собой механизм подавления генов, играющий важную роль в генетической регуляции у эукариот. Белки Argonaute (AGO) занимают центральное место в сложной системе явления РНК-­интерференции. Однако их роль в этом механизме, как в организме растения-­хозяина, так и у патогена, до сих пор полностью не исследована. Мы провели идентификацию и филогенетический анализ генов SnAGO1, SnAGO2, SnAGO3 и SnAGO18 патогенного гриба Stagonospora nodorum Berk., возбудителя септориоза пшеницы, и проанализировали их экспрессию в условиях инфицирования растений с различной степенью устойчивости к патогену. Уровень экспрессии оценивали на фоне иммунизации растений индукторами устойчивости: салициловой и жасмоновой кислотами. Также изучена активность указанных генов в культуре гриба при непосредственном воздействии индукторов устойчивости на мицелий гриба. Выявленная более ранняя активация генов SnAGO в культуре под влиянием салициловой и жасмоновой кислот указывает на их чувствительность к ним. В системе in vivo обнаружено, что иммунизация растений индуцирует накопление транскриптов SnAGO патогена. При этом гены SnAGO гриба S. nodorum при взаимодействии с растительными клетками реагировали в зависимости от степени устойчивости хозяина: наиболее высокий уровень транскриптов наблюдался в устойчивом сорте. Таким образом, полученные данные доказывают, что гены SnAGO гриба S. nodorum эффективно взаимодействуют с системой защиты хозяина в прямой зависимости от степени устойчивости последнего к патогену. Предложено использовать отношение транскрипционной активности грибного референсного гена SnTub к хозяйскому гену TaRLI в качестве маркера развития болезни в начальный период инфекционного процесса.

В современных условиях прирост урожайности сельскохозяйственных культур обеспечивается не за счет расширения площадей их возделывания, а главным образом благодаря внедрению передовых технологий. Наиболее эффективная стратегия включает создание генетически устойчивых к неблагоприятным факторам и продуктивных сортов в сочетании с использованием разнообразных средств защиты растений. Однако традиционные, химические, средства защиты, несмотря на эффективность, имеют существенные недостатки: загрязнение окружающей среды, нарушение экологии, токсичность для человека. В последнее время все больше внимания привлекают биологические (на основе природных соединений) средства защиты растений – они лишены этих недостатков, при этом могут быть не менее эффективными. К таким средствам относится хитозан – продукт деацетилирования хитина, одного из наиболее распространенных в природе полисахаридов. Высокая биологическая активность, биосовместимость и безопасность хитозана определяют широту и эффективность его применения в медицине, промышленности и агробиологии. В обзоре рассмотрены механизмы действия хитозана в качестве биопестицида, включающие как прямое подавляющее воздействие на патогены, так и индукцию внутренних защитных систем растения в результате связывания хитозана поверхностными рецепторами клеток. На множестве растительных объектов показано влияние хитозана на формирование устойчивости к основным классам патогенов: грибам, бактериям и вирусам. Кроме того, в работе оценены способы применения хитозана, включающие обработку семян, листьев, плодов, почвы, а также соответствующие этим методам специфические биологические эффекты. Отдельный раздел посвящен средствам защиты на основе хитозана, полученным как путем его химической модификации, так и с помощью комбинирования тех или иных молекулярных форм с различными веществами, усиливающими его антипатогенное действие. Представленные в обзоре данные дают представление о хитозане и его производных как об эффективных и перспективных средствах защиты растений и биостимуляторах. 

Создание удвоенных гаплоидов – ценный биотехнологический подход в селекции растений, позволяющий ускоренно создавать новые сорта за счет одноэтапного получения гомозиготных линий. Целью настоящего исследования было проведение оценки показателей андрогенеза in vitro в культуре пыльников исходного селекционного материала сортов и комбинаций F₁ и F₂ и выявление перспективных образцов с хорошей отзывчивостью. В работе использован растительный материал, перспективный для селекционных программ Сибирского научно-исследовательского института растениеводства и селекции – филиала ИЦиГ СО РАН. Десять сортов мягкой пшеницы и гибриды F₁ и F₂ девяти комбинаций скрещивания оценивали по основным параметрам андрогенеза in vitro: числу новообразований, числу альбиносов и зеленых растений-регенерантов и всех регенерировавших растений. Индукцию андрогенеза in vitro проводили в культуре пыльников на питательной среде Chu (N6), в качестве регулятора роста использовали 1 мг/л 2.4-Д. У изучаемых образцов обнаружен различный ответ на индукцию андрогенеза in vitro. Отмечен максимальный выход новообразований у гибридов F₂ Новосибирская 15 × Лютесценс ШТ-335. Наибольшее количество зеленых растений-регенерантов обнаружено у F₁ Новосибирская 15 × Лютесценс ШТ-335. По результатам дисперсионного анализа установлено достоверное ( p < 0.01) влияние генотипа на изучаемые признаки. Выявлены сорта с хорошей отзывчивостью в культуре пыльников (Новосибирская 15) и с отсутствием отзывчивости к андрогенезу in vitro (Новосибирская 31). Сорт Новосибирская 16 характеризовался низкой регенерационной способностью новообразований. Среди гибридов значительный гетерозисный эффект отмечен по признаку «число новообразований на 100 пыльников» в комбинациях Новосибирская 15 × Лютесценс ШТ-335, Новосибирская 15 × Лютесценс 111/09, Загора Новосибирская × Обская 2. Сорт Новосибирская 15 рекомендован к включению в скрещивания как сорт, обеспечи вающий высокую отзывчивость в андрогенезе in vitro гибридов. Применение технологии удвоенн ых гаплоидов позволило быстро создать DH-линии на основе изучаемого материала.

Растительная клеточная стенка представляет собой внешний компартмент растительной клетки, который во многом обеспечивает физический барьер и запуск сигнальных каскадов при действии био- и абиотических стрессоров. Засуха негативно влияет как на рост, так и развитие растений. Белки клеточной стенки (БКС) играют существенную роль в ответе растений на водный дефицит. Механизмы адаптации клеточной стенки к потере воды могут быть использованы для выявления важных генетических факторов, определяющих устойчивость растений к засухе, и предоставляют ценные данные о биомаркерах для дальнейшей селекции, направленной на повышение урожайности культурных растений. С помощью ANDSystem реконструирована генная сеть, позволяющая описывать регуляцию БКС в условиях ограничения полива. Анализ генной сети совместно с анализом транскриптомных данных позволил провести приоритизацию транскрипционных факторов (ТФ) по их обогащенности регулируемыми дифференциально экспрессирующимися генами. В результате были рассчитаны веса, являющиеся индикаторами ассоциации ТФ с водным дефицитом. По значениям весов отобраны восемь наиболее значимых ТФ. Наибольшим приоритетом обладал ТФ GBF3. Приоритизация БКС проведена по критерию суммирования весов транскрипционных факторов, регулирующих эти гены. К наиболее приоритетным БКС отнесены ген AT5G03350, кодирующий лектин-подобный белок; AT4G20860, кодирующий фермент берберинового моста BBE-like 22 (berberine bridge enzyme-like 22), необходимый для окисления продуктов распада целлюлозы, и AT4G37800, кодирующий ксилоглюкан эндотрансгликозилазу/гидролазу 7.

В настоящее время в связи со стремительным ростом количества полногеномных экспериментов по изучению изменения экспрессии генов в различных условиях все более широкое распространение получают методы метаанализа транскриптомных данных из разных экспериментов, так как интеграция данных может обеспечить большую точность в выявлении генов-кандидатов и позволяет тестировать новые гипотезы, которые невозможно было проверить в отдельных исследованиях. Для повышения информативности такой интеграции необходимо оптимизировать подбор экспериментов. В настоящей работе мы предлагаем набор количественных показателей для всестороннего сравнительного описания транскриптомных данных. Эти показатели легко могут быть визуализированы и интерпретированы. Они включают в себя количество дифференциально экспрессирующихся генов (ДЭГ), долю специфических (уникальных) ДЭГ в каждом наборе данных, попарное сходство экспериментов по составу ДЭГ, оценку однородности профилей дифференциально экспрессирующихся генов. Для автоматического вычисления и визуализации этих показателей мы разработали программу InterTransViewer. Мы применили InterTransViewer для сравнительного описания транскрипционных ответов на обработку фитогормонами у модельного растения Arabidopsis thaliana L., взяв в анализ 23 едино образно обработанных профиля дифференциальной экспрессии генов в ответ на ауксин и 16 профилей дифференциальной экспрессии, индуцированных этиленом или его предшественником – 1-аминоциклопропановой кислотой. Мы продемонстрировали, что комплексное рассмотрение характеристик отдельных профилей ДЭГ в контексте результатов попарных сравнений профилей по составу ДЭГ позволяет позиционировать эксперименты в контексте друг друга, оценивать тенденцию к их интеграции или сегрегации, генерировать гипотезы о влиянии весомых нецелевых факторов на исследуемый транскрипционный ответ. В результате это дает возможность выделять потенциально однородные группы экспериментов. Последующий анализ однородности этих групп профилей с помощью процедуры ресемплинга и установления порога уровня значимости помогает принять решение о целесообразности использования этих данных для метаанализа. В целом InterTransViewer позволяет эффективно формировать выборки экспериментов в зависимости от задачи и методов метаанализа