AP 19677444 (руководитель Әнуарбек Ш.Н.)

Краткая информация о проекте

(2023-2025 г.г.)

 

Наименование проекта: ИРН AP 19677444 «Идентификация локусов количественных признаков продуктивности и качества семян нута (Cicer arietinum L.) на основе использования полногеномного анализа ассоциаций».

 

Актуальность.  Нут (Cicer arietinum L.) является важной культурой для обеспечения продовольственной безопасности и кормопроизводства из-за своего высокого содержания пищевого растительного белка, гипоаллергенности и сбалансированного аминокислотного состава. Одной из актуальных задач генетики и селекции является поиск ассоциаций между генами, ДНК-маркерами и селекционно-ценными признаками с использованием методологии полногеномного анализа ассоциаций (ПГАА). В данном проекте будет проведен поиск локусов количественных признаков, связанных с урожайностью и качеством нута, с использованием данных полногеномного секвенирования на 4972803 SNP-маркеров (Illumina HiSeq2500) и фенотипирования 238 образцов нута мировой коллекции, в условиях юго-востока Казахстана. В результате будет разработан набор информативных KASP (Kbioscience competitive allele specific PCR, или конкурентная аллель-специфичная полимеразная цепная реакция) маркеров, связанных с продуктивностью и качеством семян нута. Будут отобраны высокоурожайные и высококачественные образцы нута для усиления селекционных программ в Казахстане. Также будет дана оценка генетического разнообразия мировой коллекции нута, включая казахстанские образцы, с использованием микросателлитных маркеров.

 

Цель проекта: Осуществить поиск локусов количественных признаков, определяющих продуктивность и качество семян, на основе изучения мировой коллекции нута и использования методологии полногеномного анализа ассоциаций.

 

Ожидаемые результаты:

1. Мировая коллекция нута будет изучена по хозяйственно-ценным признакам на юго-востоке Казахстана. Будет дана характеристика образцов коллекции по комплексу морфологических признаков и компонентов продуктивности;
2. Будет проведена оценка генетического разнообразия коллекции нута с использованием микросателлитных ДНК-маркеров. Будут выявлены наиболее информативные ДНК-маркеры, связанные с хозяйственно-ценными признаками;
3. Будет дана оценка биохимического состава семян коллекции нута. Будет изучен уровень вариабельности коллекции нута по содержанию белков и аминокислот;
4. Будут идентифицированы ассоциации между ДНК-маркерами и признаками продуктивности и качества семян нута на основе использования методологии полногеномного анализа ассоциаций;
5. Будут созданы информативные KASP-маркеры по признакам продуктивности и качества семян. Местные коммерческие сорта и перспективные линии нута будут генотипированы с использованием созданных KASP-маркеров;
6. Будет осуществлена валидация эффективности информативных KASP-маркеров на основе изучения местных гибридных линий старшего поколения. Будут выделены перспективные линии нута для интенсификации селекции в Казахстане.

 

Научный руководитель проекта: Әнуарбек Шынар Нұрланқызы, PhD, научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики ИББР, 11-летний опыт работы по теме проекта, Н index – 4,  https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57192177334

Члены исследовательской группы:  

Туруспеков Ерлан Кенесбекович, кандидат биологических наук, профессор, заведующий лабораторией молекулярной генетики. H-index 16, https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57197860996

Абугалиева Сауле Изтелеуовна, главный научный сотрудник, доктор биологических наук, профессор. Н-index 12, https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=6507029042).

Затыбеков Алибек Камзабекович, PhD, ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики ИББР, H-index – 4,  https://www2.scopus.com/hirsch/author.uri?accessor=authorProfile&auidList=57196942983),

Байтаракова Куралай Жумановна, магистр, докторант 1-курса Казахского Аграрного Университета (КазНАУ), старший научный сотрудник отдела зернобобовых культур КазНИИЗиР.

 

 Список публикаций и патентов исполнителей проекта за период 2018-2022 гг.

1. Патент на полезную модель KZ №3137 А01Н 1/04 (2006.01) ГосРеестр бюллетень №36 от 24.09.2018. Затыбеков А.К., Әнуарбек Ш.Н., Абугалиева С.И., Досжанова Б.Н., Туруспеков Е.К. Способ идентификации селекционно-ценных линий сои с использованием технологии KASP. https://gosreestr.kazpatent.kz/Utilitymodel/Details?docNumber=283866.
2. Genievskaya Y., Pecchioni N., Laidò G., Anuarbek S., Rsaliyev A.,Chudinov, V.; Zatybekov A., Turuspekov Y., Abugalieva S., Genome‐Wide Association Study of Leaf Rust and Stem Rust Seedling and Adult Resistances in Tetraploid Wheat Accessions Harvested in Kazakhstan. Plants (IF=4.658, Q1-Plant Sciences; SJR=0.765, процентиль 71 – Plant Sciences) 2022, 11, 1904. https://doi.org/10.3390/plants11151904. (https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85136983036&origin=resultslist&sort=plf-f).
3. Anuarbek S., Abugalieva S., Pecchioni N., Laidò G., Maccaferri M., Tuberosa R., Turuspekov Y. (2020). Quantitative trait loci for agronomic traits in tetraploid wheat for enhancing grain yield in Kazakhstan environments. PLOS ONE (IF=3.752, Q2- Multidisciplinary Sciences; SJR=0.852, процентиль 87 – Multidisciplinary), 15(6), e0234863. doi:10.1371/journal.pone.0234863. (https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85087025039&origin=resultslist&sort=plf-f).
4. Zatybekov A., Anuarbek S., Abugalieva S., Turuspekov Y. Phenotypic and genetic variability of a tetraploid wheat collection grown in Kazakhstan. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. (Q3 – Agricultural and Biological Sciences; SJR=0.188, процентиль 42 – General Agricultural and Biological Sciences). 2020;24(6):605-612. DOI 10.18699/VJ20.654
5. Anuarbek S., Abugalieva S., Turuspekov Y. Validation of bread wheat KASP markers in durum lines in Kazakhstan. Proceedings of the Latvian Academy of Sciences, Section B: Natural, Exact, and Applied Sciences (SJR=0.143, процентиль 29-Multidisciplinary). 2019. 73(5): P.462-465. DOI: 10.2478/prolas-2019-0071. (https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85079387457&origin=resultslist&sort=plf-f).
6. Патент на полезную модель KZ №5061 C12Q 1/6806. ГосРеестр бюллетень №40 от 09.10.2020. Туруспеков Е.К., Абугалиева С.И., Әнуарбек Ш.Н. Способ идентификации селекционно-ценных линий твердой пшеницы ( durum Desf.) с использованием молекулярных маркеров по технологии KASP. https://gosreestr.kazpatent.kz/Utilitymodel/Details?docNumber=323771.
7. Zatybekov A., Abugalieva S., Didorenko S., Rsaliyev A., Turuspekov Y. (2018). GWAS of a soybean breeding collection from South East and South Kazakhstan for resistance to fungal diseases. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii. (Q3 – Agricultural and Biological Sciences; SJR=0.188, процентиль 42 – General Agricultural and Biological Sciences). 22(5):536-543. DOI: https://doi.org/10.18699/VJ18.392. (https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85052138239&origin=resultslist&sort=plf-f).
8. Zatybekov A., Turuspekov Y., Doszhanova B., Didorenko S., Abugalieva S. Effect of Population Size on Genome-Wide Association Study of Agronomic Traits in Soybean // Proceedings of the Latvian Academy of Sciences, Section B: Natural, Exact, and Applied Sciences, (SJR=0.143, процентиль 29-Multidisciplinary), 2020, 74(4), P. 244–251. DOI: https://doi.org/10.2478/prolas-2020-0039. (https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85112056144&origin=resultslist&sort=plf-f).
9. Байтаракова К.Ж., Кудайбергенов М.С., Кененбаев С.Б. Продуктивность и качество зерна нута на завершающем этапе селекции // Ізденістер, нәтижелер-Исследования, результаты, №4 (88) 2020. – С.199-204
10. Патент на селекционное достижение KZ №943. ГосРеестр бюллетень №53 от 31.12.2020. Байтаракова К.Ж., Бегжанов Ж.Н., Кудайбергенов М.С., Альдешова М.К. Сорт нута «Нұрлы-80». Авторское свидетельство №598 от 13 марта  2017 г. (https://gosreestr.kazpatent.kz/SelectionAchievement/Details?docNumber=291390).
11. Патент на селекционное достижение KZ №943. ГосРеестр бюллетень №53 от 31.12.2020. Булатова К.М., Мазкират Ш., Оразалиев Н.Н., Кудайбергенов М.С., Байтаракова К.Ж. Сорт нута «Мирас 07». (https://gosreestr.kazpatent.kz/SelectionAchievement/Details?docNumber=282272).
12. Zatybekov A., Genievskaya Y.; Rsaliyev A., Maulenbay A., Yskakova G., Savin T., Turuspekov Y., Abugalieva S. Identification of Quantitative Trait Loci for Leaf Rust and Stem Rust Seedling Resistance in Bread Wheat Using a Genome-Wide Association Study. Plants (IF=4.658, Q1- Plant Sciences; SJR=0.765, процентиль 71 – Plant Sciences) 2022, 11, 74. https://doi.org/10.3390/plants11010074. (https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85121687724&origin=resultslist&sort=plf-f).

Достигнутые результаты за 2023 г.:

В результате полевых испытаний 238 образцов мировой коллекции нута в Алматинской области проведена сравнительная оценка вегетационных периодов и компонентов урожайности исследуемых образцов. Выделены образцы с наиболее высокими показателями по признаку массы семян с растения (8 образцов) и по массе 1000 семян (4 образца). Проведены работы по оптимизации выделения и очистки ДНК из образцов коллекции нута в трех повторностях.  Начаты работы по скринингу изучаемой коллекции с использованием SSR-маркеров. Осуществлен праймер скрининг 5 SSR-маркеров.

Публикации (2023 г.): ————

Достигнутые результаты за 2024 год

Продолжено изучение мировой коллекции нута по хозяйственно-ценным признакам на юго-востоке Казахстана. Оценка фенотипической вариабельности образцов была проведена на основе структурного анализа комплекса морфологических признаков и компонентов продуктивности. Продолжена оценка генетического разнообразия коллекции нута с использованием 12 микросателлитных ДНК-маркеров, связанных с хозяйственно-ценными признаками. Продолжена оценка биохимического состава семян коллекции нута. Продолжено изучение уровня вариабельности коллекции нута по содержанию белков и аминокислот.  В данной коллекции нута содержание белка колебалось от 13,5 % до 37,9 %, со средним значением 27,0±4,9%. 35% коллекции характеризовалось высоким содержанием белка (30-38 %), в то время как большая часть коллекции (60 %) содержала белок в пределах 20-29%. Начато идентифицирование ассоциаций между ДНК-маркерами и признаками продуктивности и качества семян нута на основе использования методологии полногеномного анализа ассоциаций.  Идентифицирован 41 локус количественных признаков (ЛКП) на 7 хромосомах нута.  По компонентам урожайности (количество зерен на растение, масса 1000 зерен, масса зерен на растение) выявлено 30 ЛКП на хромосомах 1, 2, 3, 4, 6, 7 и 8. По компонентам адаптивности (высота растения, высота прикрепления нижнего боба) выявлено 3 ЛКП на хромосомах 2, 4 и 6. По фенологическим фазам (VER2, VER8, R2R4) выявлено 8 ЛКП на хромосомах 1, 2, 4. Начато создание информативных KASP-маркеров по признакам продуктивности и качества семян. Начато генотипирование местных коммерческих сортов и перспективных линий нута с использованием созданных KASP-маркеров.  Начата валидация эффективности информативных KASP-маркеров на основе изучения местных гибридных линий старшего поколения.

 

Результаты за 2025 г.

Оценка 258 глобальных генотипов нута выявила существенные различия по агрономическим признакам в зависимости от региона происхождения. В целом, по объединенной выборке из всех групп происхождения средняя высота растений составила 33,68 см, высота прикрепления нижнего боба – 18,63 см, количество боковых ветвей на растение – в среднем 2,23 шт, а урожайность с растения – 4,71 г. Полученные результаты подчеркивают, что отечественные сортообразцы имеют высокий потенциал для селекции (рисунок 1).

 

Дисперсионный анализ выявил достоверное влияние фактора происхождения, формы семян и года исследования, а также их взаимодействий на ряд селекционно-ценных признаков у 258 изученных генотипов нута.

Всего для генотипирования казахстанской коллекции нута было использовано 28 SSR-маркеров. Из них 23 маркера проявили полиморфизм, выявив от 2 до 8 аллелей на локус, тогда как пять маркеров оказались мономорфными. Совокупные результаты, полученные методами STRUCTURE, PCA и анализа парных генетических расстояний, указывают на наличие четырёх основных генетических кластеров среди 27 образцов нута при высокой степени смешения и отсутствии чёткой генетической дифференциации между типами desi и kabuli, что свидетельствует о общем и сложном генетическом происхождении исследуемой коллекции (рисунок 2).

 

Фенотипическая оценка биохимического состава зерна 258 образцов нута выявила значительный полиморфизм по ключевым показателям питательной ценности, подчеркивая высокую пригодность данной коллекции для селекционных программ. Анализ главных компонентов показал, что PC1 объясняет 44,3% общей дисперсии и отражает выраженную обратную корреляцию между содержанием белка и содержанием жира и влажности, тогда как PC2 (31,5% дисперсии) характеризует изменчивость аминокислотного профиля, связанную с противопоставлением аспарагиновой и глутаминовой кислот, при этом в совокупности обе компоненты описывают 75,8% общей изменчивости данных (рисунок 3).

 

Проведён анализ ассоциаций по всему геному с целью выявления 351 достоверных ассоциации маркер-признак (АМП) для шести ключевых сельскохозяйственных признаков. По годам идентифицировано 128, 164 и 102 достоверных ассоциаций маркер-признак (АМП) в 2022, 2023 и 2024 годах соответственно, при этом пять ассоциаций сохраняли значимость в нескольких годах, что указывает на наличие стабильных геномных регионов; с учётом распада неравновесия по сцеплению (LD decay) было идентифицировано в общей сложности 128 локусов количественных признаков (ЛКП), связанных с шестью признаками (65, 59 и 54 ЛКП по годам), из которых 40 являлись стабильными, включая 10 ЛКП, значимых во все три года (рисунок 4), а анализ коэффициента фенотипической изменчивости (R²) показал различную силу их влияния – от низких и средних эффектов, отражающих полигенную природу признаков, до семи ЛКП с высоким R² (>0,10), соответствующих основным локусам Q_NLB_1.1, Q_NLB_1.2, Q_NSP_4.2, Q_TSW_4.1, Q_TSW_4.2, Q_YP_1.1 и Q_YP_2.1.

 

Анализ распределения ЛКП по геному показал, что большинство ЛКП (70,3 %) локализованы в межгенных областях, тогда как оставшиеся 29,7 % располагались в пределах кодирующих последовательностей.

Идентифицированные в результате ПГАА SNP-маркеры были использованы для их конвертации в более удобные в применении KASP-маркеры. В результате проведённых работ были успешно конвертированы 27 SNP-маркера в высокоспецифичные и экономичные KASP-маркеры, ассоциированные с хозяйственно ценными признаками.

На следующем этапе коллекция из 38 образцов была подвергнута KASP-генотипированию. Из 19 проанализированных KASP-маркеров 17 (89 %) продемонстрировали статистически значимую ассоциацию с одним или несколькими фенотипическими признаками, что указывает на их высокую информативность и потенциальную ценность для последующего использования в селекционных программах. Идентифицированные KASP-маркеры, в частности ipbb_ca_005, ipbb_ca_008, ipbb_ca_013 и ipbb_ca_023 (компонентам урожайности) и ipbb_ca_003, ipbb_ca_021 и ipbb_ca_026 (морфологические признаки), могут рассматриваться в качестве надежных кандидатов для использования в программах маркер-ориентированной селекции нута с целью повышения урожайности и оптимизации морфологических характеристик растений.

 

Информация для потенциальных пользователей

 

Результаты исследования коллекции нута (Cicer arietinum L.), включающей 258 глобальных генотипов и казахстанские сортообразцы, обладают высокой практической значимостью для селекции, семеноводства и устойчивого растениеводства в Республике Казахстан. Выявленные различия по основным агрономическим признакам и показателям качества зерна, а также высокий уровень генетического разнообразия (четыре генетических кластера при значительном смешении) подтверждают высокий селекционный потенциал изученного материала и возможность его целенаправленного использования в селекционных программах для различных агроэкологических зон страны.

В рамках GWAS идентифицированы достоверные ассоциации маркер–признак и ключевые локусы количественных признаков, включая стабильные и высокоэффектные, что создаёт научную основу для маркер-ориентированной селекции. Конвертация SNP в информативные KASP-маркеры и их успешная валидация позволяют рекомендовать полученные результаты для практического внедрения с целью ускоренного создания конкурентоспособных, высокоурожайных и адаптированных сортов нута, способствующих повышению продуктивности культуры и укреплению продовольственной безопасности Республики Казахстан.

 

Публикации 2025 г.

Список публикаций в рецензируемых зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и (или) Scopus

Zatybekov A., Genievskaya Y., Anuarbek,S., Kudaibergenov M., Turuspekov Y., Abugalieva S. Phenotypic and Genetic Diversity of Chickpea (Cicer arietinum L.) Accessions from Kazakhstan // Diversity. – 2025. – Vol.17, – P.664. https:// doi.org/10.3390/d17090664.

 

Статьи в рецензируемом отечественном издании с ненулевым импакт-фактором (рекомендованном КОКСНВО МНВО РК)

Zatybekov A.K., Yeshengaliyeva A.N., Anuarbek Sh.N., Kudaibergenov M.S., Turuspekov Y.K., Abugalieva S.A. Field Evaluation and Diversity of 238 Global Chickpea (Cicer arietinum L.) Genotypes Grown in South-East Kazakhstan // Fundamental And Experimental Biology. – 2025. – Vol.30. – P.3(119).

 

Тезисы международной конференции (с указанием формы доклада)

Zatybekov A.K., Burakhoja A.K., Kudaybergenov M.S., Varshney R., Krempa A., Anuarbek Sh., Turuspekov Y.K. Variability of agronomic traits in chickpea collection grown in irrigated and non-irrigated conditions // International Conference on Plant Biology and Biotechnology (ICPBB 2024). – Almaty, 2024. – P. 111 (постер).