Краткая информация о проекте
(2022-2024 г.г.)
Наименование проекта: ИРН AP14869967 «Картирование генетических факторов, детерминирующих устойчивость к Septoria nodorum, на основе полногеномного исследования ассоциаций в коллекции гексаплоидной пшеницы».
Актуальность. В Казахстане Septoria nodorum (SNB) представляет серьезную проблему для пшеницы, потери урожая в период эпифитотий могут достигать 40-50%. Селекция на устойчивость растений-хозяев остается наиболее экономичной, эффективной и экологически чистой стратегией борьбы с болезнью. Эффективные комбинации генов устойчивости лучше всего достигаются на основе маркерной селекции. Создание генотипов, устойчивых к SNB, зависит от понимания механизмов резистентности хозяина и выявления генов устойчивости к болезни. Исследование полногеномных ассоциаций (GWAS) является одним из передовых подходов молекулярной и геномной селекции, обеспечивающих картирование с высокой разрешающей способностью. Идентификация новых QTL и геномных регионов, связанных с устойчивостью к SNB, позволит углубить понимание природы устойчивости к болезни. В Проекте будет применен подход GWAS с использованием технологии секвенирования нового поколения DArTseq™, являющейся новой и современной в области молекулярной селекции растений. По сравнению с SSR маркерами, DArT-маркеры имеют преимущества в отношении стоимости и времени генотипирования. Однако, высокоэффективная DArT-технология на сегодняшний день в Казахстане недостаточно широко используется. Хотя септориоз представляет потенциальную опасность и вредоносность, GWA-исследования, посвященные выявлению геномных областей, связанных с устойчивостью к септориозу в казахстанской гермоплазме, не проводились.
Цель проекта: «Картирование генетических факторов, детерминирующих устойчивость к Septoria nodorum, на основе полногеномного исследования ассоциаций (GWAS) в коллекции гексаплоидной пшеницы из Казахстана».
Ожидаемые результаты:
На основе использования современного метода GWAS будет осуществлен поиск новых генетических факторов (QTL и ДНК-маркеров), детерминирующих устойчивость к септориозу; исследована генетическая структура популяции, будут идентифицированы носители ценных аллелей для их маркерной интрогрессии в новые сорта пшеницы. Будут идентифицированы перспективные линии и сорта пшеницы, устойчивые к изолятам и селективным токсинам гриба, характеризующиеся проростковой и полевой устойчивостью к септориозу в 2- контрастных регионах Казахстана.
Научный руководитель проекта: д.б.н. (генетика), профессор, член-корреспондент НАН РК, заведующая лабораторией генетики и селекции ИББР, Национальный координатор Европейской Биотехнологической Ассоциации (EBTNA) по Казахстану. Опыт работы связан с изучением устойчивости к болезням с использованием технологии «Marker Assisted Selection» (MAS) и ассоциациативного картирования для повышения эффективности селекции на устойчивость к болезням. С 2015г. была руководителем и исполнителем 6 проектов, финансированных МОН и МСХ РК. Под ее руководством защищены 1 кандидатская, 4 PhD-докторские, 12 магистерских диссертаций, выполняется 1 PhD-диссертация. Индекс Хирша 9 (https://apps.webofknowledge.com/CitationReport.do?product=UA&search_mode=CitationReport&SID=E3DXTybnUxKUdPwFTe1&page=1&cr_pqid=1&viewType=summary). Имеет более 300 публикаций, в т.ч. индексируемых БД WOS и Scopus. WOS-ID: M-6618-2015; Scopus-ID: 36010765900; ORCHID-ID:0002-0186-7832.
Члены исследовательской группы:
Руководитель НИР: Кохметова А.М., д.б.н. (генетика), профессор, член-корреспондент НАН РК, заведующая лабораторией генетики и селекции ИББР, Национальный координатор Европейской Биотехнологической Ассоциации (EBTNA) по Казахстану. Опыт работы связан с изучением устойчивости к болезням с использованием технологии «Marker Assisted Selection» (MAS) и ассоциациативного картирования для повышения эффективности селекции на устойчивость к болезням. С 2015г. была руководителем и исполнителем 6 проектов, финансированных МОН и МСХ РК. Под ее руководством защищены 1 кандидатская, 4 PhD-докторские, 12 магистерских диссертаций, выполняется 1 PhD-диссертация. Индекс Хирша 9 (https://apps.webofknowledge.com/CitationReport.do?product=UA&search_mode=CitationReport&SID=E3DXTybnUxKUdPwFTe1&page=1&cr_pqid=1&viewType=summary). Имеет более 300 публикаций, в т.ч. индексируемых БД WOS и Scopus. WOS-ID: M-6618-2015; Scopus-ID: 36010765900; ORCHID-ID:0002-0186-7832.
Исполнители:
Кумарбаева Мадина Талгаровна, магистр (6М081100 – Защита и карантин растений), окончила PhD-докторантуру (6D080100 —Агрономия), НС; h-index: 4; ResearcherID: AAQ-3647-2020; OrcID: 0000-0002-5588-6772 Scopus ID: 5721361957;
Кейшилов Женыс Советханулы, магистр (6М081100 – Защита растений и карантин), НС; h-index: 2; ResearcherID: DWX-6746-2022; OrcID: 0000-0003-2126-6951; Scopus ID: 57221382183;
Жанузак Данна Комеккызы, магистр (6М070100 – Биотехнология), МНС; h-index: 1; ResearcherID: ABE-9520-2021; Scopus ID: 57226127734; OrcID: 0000-0002-2252-0870;
Болатбекова Ардак Айдыновна, магистр (6M060800 – экология); МНС; h-index: 1; ResearcherID: CHB-6750-2022; Scopus ID: 57226105668;
Малышева Ангелина Александровна, магистр (7M05109 – биотехнология); МНС; h-index: 2; ResearcherID: ABE-9732-2021; OrcID: 0000-0002-9840-9570; Scopus ID: 57226102193;
Кохметова Асия Мырзабековна, (08.00.05 – экономика торговли); OrcID: 0000-0003-0119-0849;
Бахытулы Канат, магистр (7M05109 – биотехнология); OrcID: 0000-0001-6084-0480.
Список публикаций и патентов исполнителей проекта за период 2017-2022 гг.
2. Kokhmetova A, Rsaliyev S, Atishova M, Kumarbayeva M, Malysheva A, Keishilov Z, Zhanuzak D, Bolatbekova A. 2021. Evaluation of Wheat Germplasm for Resistance to Leaf Rust (Puccinia triticina) and Identification of the Sources of Lr Resistance Genes Using Molecular Markers // Plants. 10(7):1484. DOI:10.3390/plants10071484 IF 3.935. WOS. Q1. Scopus: percentile 56.
3. Kokhmetova A., Kumarbayeva M., Atishova M. 2021. Identification of high-yielding wheat genotypes resistant to Pyrenophora tritici-repentis (tan spot) // Euphytica. 217:97. DOI:10.1007/s10681-021-02822-y IF 1.84. WOS. Q2. Scopus: percentile 71.
4.Madenova A.K., Kokhmetova A.M., Atishova M.N. et al. 2019. Identification of carriers of resistance to common bunt (Tilletia caries) of winter wheat // Research on Crops.20(4):782-790.DOI:10.31830/2348-7542.2019.115. Scopus, Q3. SJR 0.21. Scopus: percentile 18.
5.Kokhmetova A., Kremneva O.,Volkova G., Atishova M., Sapakhova Z. 2017. Evaluation of wheat cultivars growing in Kazakhstan and Russia for resistance to tan spot // Journal of Plant Pathology. 99(1):161-167. DOI:10.4454/jpp.v99i1.3812. IF 1.041. WOS. Q3. Scopus: percentile 31.
6. Galymbek K., Kokhmetova A.M., Akan K., Madenova A.K., Atishova M.N. 2017. Identification of germplasm of wheat on leaf rust (Puccinia recondita Rob. Ex Desm. F.sp. tritici)//Ecology, Environment and Conservation. 23(2):1211-1218. Scopus, Q4. SJR 0.14.
7. Кохметова А.М., Али С., Сапахова З., Атишова М.Н. 2018. Идентификация генотипов-носителей устойчивости к токсинам пиренофороза Ptr ToxA и Ptr ToxB Pyrenophora tritici-repentis в коллекции мягкой пшеницы//Вавиловский журнал генетики и селекции. 22(8):978¬-986. DOI:10.18699/VJ18.440. Scopus, Q4. SJR 0.15. 31-й процентиль.
8. A.Kokhmetova, M.Atishova, M.Kumarbayeva, Leonova I. 2019. Phytopathological screening and molecular marker analysis of wheat germplasm from Kazakhstan and CIMMYT for resistance to tan spot//Вавиловский журнал генетики и селекции. 23(7):879-886. DOI:10.18699/VJ19.562. Scopus, Q4. SJR 0.15. 31-й процентиль.
9.Kumarbayeva M., Kokhmetova A., Kovalenko N., Atishova M., Keishilov Zh., Aitymbetova K. Characterization of Pyrenophora tritici-repentis (tan spot of wheat) Races in Kazakhstan // Phytopathologia Mediterranea. – 2022(1). (Принята в печать) IF — 2.08, WOS. Q2, Scopus: процентиль 65.
10. Кеишилов Ж. С., Кохметова A.M., Кумарбаева M.T., Болатбекова A.A., Малышева A.A., Кохметова A.M. Жаздық бидайдың қоңыр тат (Puccinia recondita) ауруына солтүстік қазақстанда жүргізілген мониторингі 2019-2021 // Вестник науки Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина. – 2022. – №. 1(112). – Б. 930. DOI: 10.51452/kazatu.2022.1(112).930 КОКСОН 10. Keishilov Zh.S., Kokhmetova A.M.,
11. Kumarbaeva M.T., Kokhmetova A.M., Keishilov Zh.S., Chudinov V., Zhanuzak D.K. 2022. Disease monitoring to determine the level of spread and development of the pathogen pyrenophora tritici-repentis in Kazakhstan // Herald of science of S. Seifullin KazATU. 1(112): 906. DOI:10.51452/kazatu.2022.1(112).906(КОКСОН).
12.Kumarbayeva M., Kokhmetova A., Kovalenko N., Atishova M., Keishilov Zh., Aitymbetova K. Characterization of Pyrenophora tritici-repentis (tan spot of wheat) Races in Kazakhstan // Phytopathologia Mediterranea. – 2022(1). (Принята в печать) IF — 2.08, WOS. Q2, Scopus: процентиль 65.
Достигнутые результаты за 2022 г.:
Изучена реакция гермоплазмы пшеницы на устойчивость к расам и хозяин-специфичным токсинам, продуцируемым грибом S. nodorum. Выявлена гермоплазма пшеницы, устойчивая к расам S. nodorum: отобрано 107 генотипов (48,6%), устойчивых к расе Sn2K и 113 генотипов (51,4%), устойчивых к расе Sn5K. Идентифицировано 154 генотипа, нечувствительных к токсину ToxA и 72 генотипа, устойчивых токсину ToxB. Проведена полевая оценка гермоплазмы пшеницы в 2 контрастных регионах Казахстана (Алматинская и Костанайская области) на устойчивость взрослых растений к S. nodorum. В Костанайской области выделено 30 образцов пшеницы с высокой полевой устойчивостью к S. nodorum болезни. В Алматинской области на естественном фоне отобрано 85 имунных генотипов, и 55 устойчивых к септориозу. На искусстввенном фоне иммунными проявили себя сорта Severyanka, KR12-9011, Almaly/GF92, Samgay, а устойчивыми — Karaspan, Mereke 75, Saratovskaya 29, Stb — 7, Yr2/Octyabrina, Bayandy, Mayra, Pamyati Azieva, Kokbiday.
Информация о достигнутых результатах НИР за 2024 год для заполнения страницы Гранты МОН РК в разделе «Наука» по проектам грантового финансирования 2022-2024 гг.
по проекту AP14869967-OT-24 Картирование генетических факторов, детерминирующих устойчивость к Septoria nodorum, на основе полногеномного исследования ассоциаций в коллекции гексаплоидной пшеницы (руководитель – Кохметова А.М.)
Цель работы: «Картирование генетических факторов, детерминирующих устойчивость к Septoria nodorum, на основе полногеномного исследования ассоциаций в коллекции гексаплоидной пшеницы».
Объекты исследования: 220 казахстанских и зарубежных сортов и линий гексаплоидной пшеницы.
Проведено генотипирование коллекции образцов пшеницы с использованием технологии секвенирования нового поколения DArTseq™ с использованием SNP-маркеров. Получены данные по результатам генотипирования и секвенирования коллекции образцов пшеницы. Средний индекс генетического разнообразия DI для 8486 SNP в 220 образцах составил 0,43. Самый высокий DI (0,49) был на хромосомах 2B и 1B (0,47). Среднее значение PIC составило 0,35. LD для всего генома составил 4,6 сМ, Наибольшее количество маркеров было картировано в субгеномах A и B (44,3 и 47,5%, соответственно). Установлено наличие трех субкластеров в генетической структуре популяции. По региону происхождения образцы под К = 3 распределились по трем субпопуляциям.
Уровень генетического разнообразия образцов казахстанской селекции был выше, чем у образцов из России, Бразилии и Канады, но ниже по сравнению разнообразием гермоплазмы из CIMMYT и Мексики. Для выявления генетического разнообразия изучаемой коллекции по признаку устойчивости к болезни проведен поиск эффективных носителей Stb генов. Идентифицировано 70 генотипов с Stb генами устойчивости. Наибольшее генетическое разнообразие по Stb генам обнаружено в казахстанских сортах пшеницы (19,5%), а в образцах из CIMMYT встречаемость Stb генов составила 6,8%.
Проведен поиск ассоциаций маркер-признак для устойчивости к септориозу в панели пшеницы сортов и линий пшеницы на основании реакции к расам и токсинам SNB и данных полевой устойчивости к болезни. На основе сравнения полногеномного анализа ассоциаций GWAS, полученных использовании результатов анализа проростковой устойчивости к изолятам и токсинам SNB и данных по возрастной устойчивости к болезни выявлены наиболее информативные маркеры, определены области генома, с высокой вероятностью содержащие генетические локусы устойчивости к SNB (Рис. 1). Идентифицировано 6 ассоциаций маркер-признак (MTA).
Рисунок 1 – Графическое представление (диаграммы Manhattan и QQ) ассоциации SNP-маркеров с признаками устойчивости к изолятам Pn ToxA_Russia, Pn Tox3_Russia и Sn2K_SNB_USA в панели GWAS, фенотипированной в условиях теплицы
Оценены межгенные взаимодействия с несколькими локусами количественных признаков (QTL) между ассоциированными SNP (Рис.2). Обнаружены значительные эпистатические взаимодействия между ассоциированными локусами устойчивости к изолятам септориоза на хромосомах 1B и 6A, а также на хромосомах 6А и 6B. Выявлены наиболее предпочтительные аллельные комбинации и перспективные линии пшеницы, характеризующиеся устойчивостью к септориозу. В будущем отобранные QTL и их аллельные комбинации могут быть использованы для разработки селекционных индексов, которые помогут в отборе перспективных линий пшеницы.
Рисунок 2 – Эпистатические взаимодействие между локусами устойчивости к изолятам Pn ToxA_Russia (А), Pn Tox3_Russia (В) и AUDPC (B)
Рекомендации по внедрению результатов НИР: в качестве перспективного материала в селекции на устойчивость к септориозу рекомендуется использовать отобранные генотипы пшеницы с лучшими комбинациями аллелей SNP, ассоциированных с устойчивостью к изолятам и токсинам септориоза.
Работу отличает высокий уровень научной проработки: выполнены сложные комплексные эксперименты, включающие фитопатологические и селекционные исследования на большом количестве экспериментального материала (220 образцов пшеницы). Исследования характеризуются завершенностью результатов. За отчётный период по теме за 2022-2024 г.г. опубликовано 1 статья в зарубежном издании, индексируемом в БД WOS – «Plants» (IF 4.5, квартиль Q1, CiteScore 5.4, процентиль Scopus 86); 1 статья в издании КОКНВО МНВО РК; 1 статья в сборнике международной конференции; 3 тезиса в сборниках международных конференций. В рамках проекта защищена 1 докторская диссертация (Кумарбаева М.Т.).
Практическая значимость результатов и перспективность их в плане дальнейшей коммерциализации подтверждена отбором перспективных линий пшеницы с лучшими комбинациями аллелей SNP, ассоциированных с устойчивостью к изолятам и токсинам септориоза, которые рассматриваются как кандидаты в будущие сорта.
Область применения: молекулярная генетика и селекция растений, фитопатология.
Экономическая эффективность или значимость работы: использование устойчивых к болезни сортов пшеницы принесет прибыль, равную 20%-ной стоимости продукции.
Прогнозные предположения о развитии объекта исследования: необходимо продолжить исследования для подтверждения результатов на независимых генетических фонах, чтобы можно было использовать идентифицированные маркеры в селекции.
Результаты, достигнутые за 2022 год:
За 2022 год публикаций и других достижений нет
Результаты, достигнутые за 2023 год:
- Кеишилов Ж.С., Кохметова А.М., Кумарбаева М.Т., Малышева А.А., Бахытұлы. Қ. Бидайдың септориоз (Septoria tritici) ауруына Алматы облысы бойынша 2022 жылы жүргізілген мониторингі // «Ізденістер, нәтижелер-Исследования, результаты». Алматы. – 2023. – № 2 . – С. 225-235. (каз.)
- Малышева А.А., Кохметова А.М., Кумарбаева М.Т., Кейшилов Ж.С., Жанузак Д.К., Болатбекова А.А. Изучение реакции коллекции озимой пшеницы из Казахстана к Stagonospora Nodorum // «Экологическая генетика и здоровье населения: достижения и перспективы»: материалы международной научно-практической конференции. – Алматы, 2023. – С. 106 – 110. (рус.)
Участие в международных конференциях, совещаниях:
- A.Kokhmetova, B. Aynebekova, A. Bolatbekova, A. Malysheva, M. Kumarbayeva, Zh. Keishilov, K. Mukhametzhanov, As. Kokhmetova, K. Bakhytuly. Molecular identification of genes resistant to Septoria nodorum in wheat cultivars and breeding lines /36th International Conference on Ecological Agriculture, Biodiversity and Waste Management (EABWM-23)”, Bangkok, Thailand, 18-22.12.2023 g – UH1223304. (англ.)
Защита диссертации, PhD/магистерских и дипломных работ
- Кумарбаева М.Т. – Защищена диссертация PhD. Специальность 6D080100 – «Агрономия», Казахский национальный аграрный университет.
Результаты, достигнутые за 2024 год:
- Kokhmetova, A.; Bolatbekova, A.; Zeleneva, Y.; Malysheva, A.; Bastaubayeva, S.; Bakhytuly, K.; Dutbayev, Y.; Tsygankov, V. Identification of Wheat Septoria tritici Resistance Genes in Wheat Germplasm Using Molecular Markers. Plants 2024, 13, 1113. https://doi.org/10.3390/plants13081113. БД Web of Science, Q1, IF 4.5, CiteScore 5.4, percentile 86. (англ.)
- Kokhmetova A., Rathan N.D., Sehgal D., Kumarbayeva M., Bolatbekova A., Krishnappa G., Gultyaeva E., Kokhmetova As., Bakhytuly K. Mapping of QTL associated with resistance to leaf and yellow rust in populations of recombinant inbred wheat lines // Proc of International conference on plant biology and biotechnology (ICPBB 2024) June 3-6, 2024, Almaty, Kazakhstan. P.77. (англ.)
- Bolatbekova А., Kokhmetova A., Kumarbayeva M., Keishilov Zh., Kokhmetova As. Search for carriers of resistance to Septoria in the collection of wheat varieties and promising lines // Proc of International conference on plant biology and biotechnology (ICPBB 2024) June 3-6, 2024, Almaty, Kazakhstan. P.91. (англ.)
Участие в международных конференциях, совещаниях:
- Kokhmetova A., Rathan N.D., Sehgal D., Kumarbayeva M., Bolatbekova A., Krishnappa G., Gultyaeva E., Kokhmetova As., Bakhytuly K. Mapping of QTL associated with resistance to leaf and yellow rust in populations of recombinant inbred wheat lines // International conference on plant biology and biotechnology (ICPBB 2024) June 3-6, 2024, Almaty, Kazakhstan. Устный доклад. (англ.)
- Bolatbekova А., Kokhmetova A., Kumarbayeva M., Keishilov Zh., Kokhmetova As. Search for carriers of resistance to Septoria in the collection of wheat varieties and promising lines // International conference on plant biology and biotechnology (ICPBB 2024) June 3-6, 2024, Almaty, Kazakhstan. Постерное сообщение. (англ.)
- Kokhmetova A., Bolatbekova A., Kumarbayeva M., Keishilov Zh., Mukhametzhanov K., Kokhmetova As., Bakhytuly K. Study of Genetic Diversity of Wheat Collection Samples for Resistance to Septoria // European Biotechnology Congress, October 3rd – 5th 2024, Harbiye Military Museum, Istanbul, Türkiye. – P 197. (англ.)
