AP 23489531 (руководитель Затыбеков А.К.)

Краткая информация о проекте

(2024-2026 г.г.)

 

Наименование проекта: ИРН AP23489531 «Изучение биоразнообразия кумарчика песчаного (Agriophyllum squarrosum L.) для улучшения экологии и развития сельского хозяйства в пустынных регионах Казахстана.

Актуальность. Увеличение засушливых территорий, вызванное глобальным потеплением и антропогенными воздействиями, является острой проблемой, особенно актуальной для Казахстана, где пустыни и полупустыни занимают около 58% территории, и их площадь продолжает расти. Эти регионы критически важны для сельского хозяйства, однако традиционные культуры часто оказываются непригодными для выращивания в таких условиях. В этой связи необходимо изучение адаптивной растительности, способной обеспечить устойчивое развитие аграрного сектора в условиях опустынивания.

Одним из перспективных видов для таких исследований является Agriophyllum squarrosum (кумарчик песчаный), обладающий уникальными свойствами. Его развитая корневая система препятствует движению песков, способствуя стабилизации песчаного грунта и борьбе с опустыниванием. Семена кумарчика, богатые питательными веществами, традиционно используются в пищу, а его зеленая масса служит ценным кормом для домашних животных. Однако, комплексное изучение данного вида, включая генетическую и биохимическую оценку, ранее не проводилось.

Исследование A. squarrosum открывает возможности для создания новой возделываемой культуры, способной укрепить экологическую устойчивость и продовольственную безопасность засушливых регионов Казахстана. Применение современных методов молекулярной генетики, биохимии и биотехнологии позволит изучить генетическое разнообразие вида, выявить его адаптивные характеристики, а также разработать рекомендации по фитомелиорации и фиксации песчаных дюн.

Реализация этого проекта не только поддержит борьбу с опустыниванием, но и создаст основу для внедрения новых сельскохозяйственных культур, что поспособствует экономическому развитию страны и повысит конкурентоспособность отечественной науки.

 Цель проекта: Изучить морфологическое, биохимическое и генетическое разнообразие популяций кумарчика песчаного (A. squarrosum L.) для практических целей, направленных на улучшение экологической обстановки и развития сельского хозяйства в пустынных регионах Казахстана.

 Ожидаемые результаты:

1. Будет осуществлены экспедиционные выезды в различные регионы страны, сбор растительного материала и семян популяции A. squarrosum, изучено морфологическое разнообразие вида.
2. Будет изучен биохимический состав семян кумарчика песчаного с помощью методов газовой и высокоэффективной жидкостной хроматографии для определения состава и содержания жирных кислот, аминокислот и витаминов;
3. Будет дана оценка генетического разнообразия популяций вида A. squarrosum. Будет изучена структура популяций A. squarrosum и степень их генетического разнообразия;
4. Будет оптимизирован протокол обработки семян кумарчика песчаного химическим мутагеном. Будут получены мутантные линии с хозяйственно-ценными признаками для использования в сельском хозяйстве в пустынных регионах Казахстана;
5. Будут проведены работы по оптимизации и созданию поэтапного протокола для борьбы с опустыниванием на основе использования кумарчика песчаного в экспериментальных пустынных участках.

 Научный руководитель проекта:

Ведущий научный сотрудник, PhD, Затыбеков Алибек Камзабекович (H-index 4; Researcher ID AAC-2978-2019, ORCID:https://orcid.org/0000-0003-4310-5753, Scopus Author ID: 57196942983)

 Члены исследовательской группы:

Главный научный сотрудник, д.б.н., профессор, Абугалиева Сауле Изтелеуовна (H-index 14.

ResearcherID: M-6690-2015, ORCID https://orcid.org/0000-0002-9748-507X, Scopus Author ID: 6507029042)

Научный сотрудник, PhD, Гениевская Юлия Анатольевна (H-index 9. Researcher ID: AAF-2410-2019, ORCID https://orcid.org/0000-0001-5987-2952, Scopus Author ID: 57196939730)

Директор Приаральской опытной станции генетических ресурсов растений им.Н.И.Вавилова ТОО «Юго-Западный научно-производственный центр сельского хозяйства», Еспанов Алдаберген Маханбет-Алиұлы

Агроном Агрофирмы «Бірлік», Аймаков Жанат Жанайбаевич

  Список публикаций и патентов исполнителей проекта за период 2018-2023 гг.

1. Zatybekov A., Abugalieva S., Didorenko S., Rsaliyev A., Turuspekov Y. GWAS of soybean breeding collection for resistance to fungal diseases in condition of South-East and South Kazakhstan // Vavilov Journal of Genetics and Breeding (Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii=Вавиловский журнал генетики и селекции) (SJR=0.147, Q3 – Agricultural and Biological Sciences; percentile: 38 –General Agricultural and Biological Sciences) — 2018. — Vol. 22(5). — P.536-543. DOI 10.18699/VJ18.392.
2. Затыбеков А.К., Ануарбек Ш.Н., Абугалиева С.И., Туруспеков Е.К. Изучение коллекции сои с использованием ДНК маркеров устойчивости к грибным болезням // Ізденістер, нəтижелер – Исследования, результаты. – 2018. – №.3(79). – C.212-218.
3. Zatybekov A.K., Agibaev A.Z., Didorenko S.V., Abugalieva S.I., Turuspekov Y.K. Analysis of resistance to Septoria glycines in soybean world collection harvested in south-eastern Kazakhstan // News of the NAS of RK, series of agricultural sciences. – 2018. – №.5. – P.44-52.
4. Doszhanova B.N., Didorenko S.V., Zatybekov A.K., Turuspekov Y.K., Abugalieva S.I. Analysis of soybean world collection in the conditions of Southeast Kazakhstan // International Journal of Biology and Chemistry — 2019. — Vol. 12(1). — P.33-40. doi.org/10.26577/ijbch-2019-1-i5.
5. Zatybekov A., Abugalieva S., Didorenko S., Turuspekov Y. Effect of Population Size on Genome-Wide Association Study of Agronomic Traits in Soybean // Proceedings of the Latvian Academy of Sciences. Section B. (SJR=0.168, Q3 – Multidisciplinary, percentile: 39 – Multidisciplinary)- 2020. — Vol. 74, No. 4 (727). — P.244-251. DOI: 10.2478/prolas-2020-0039.
6. Zatybekov A.K., Turuspekov Y.T., Doszhanova B.N., Abugalieva S.I. A study of the genetic diversity in the world soybean collection using microsatellite markers associated with fungal disease resistance // Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding (Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции). (IF=0.365 (РИНЦ)) – 2020. — Vol. 181, No. (3). — P.81-90. DOI: 10.30901/2227-8834-2020-3-81-90.
7. 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. (SJR=0.147, Q3 – Agricultural and Biological Sciences; percentile: 38 –General Agricultural and Biological Sciences). 2020;24(6):605-612. DOI 10.18699/VJ20.654
8. 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. 2022; 11(1):74. https://doi.org/10.3390/plants11010074
9. 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. 2022; 11(15):1904. https://doi.org/10.3390/plants11151904.
10. Podzorova T., Zatybekov A., Didorenko S., Abugalieva S. Genetic variation of soybean collection based on microsatellite DNA markers related to plant height // Eurasian Journal of Applied Biotechnology. – 2022. – Vol. №3. – P.3-12. https://doi.org/10.11134/btp.2.2022.1.
11. Genievskaya Y., Zatybekov A., Abugalieva S., Turuspekov Y. Identification of Quantitative Trait Loci Associated with Powdery Mildew Resistance in Spring Barley under Conditions of Southeastern Kazakhstan // Plants. 2023; 12(12):2375. https://doi.org/10.3390/plants12122375.
12. Zatybekov A., Abugalieva S., Didorenko S., Rsaliyev A., Maulenbay A., Fang C., Turuspekov Y. Genome-wide association study for charcoal rot resistance in soybean harvested in Kazakhstan. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii=Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2023;27(6):565-571. DOI 10.18699/VJGB-23-68
13. Zatybekov A., Yermagambetova M., Genievskaya Y., Didorenko S., Abugalieva S. Genetic Diversity Analysis of Soybean Collection Using Simple Sequence Repeat Markers // 2023; 12(19):3445. https://doi.org/10.3390/plants12193445.
14. Fang, C., Sun, Z., Li, S., Su T., Wang L., Dong L., Li H., Li L., Kong L., Yang Z., Lin, Zatybekov A., Liu B., Kong F., Lu S.Subfunctionalisation and self-repression of duplicated E1 homologues finetunes soybean flowering and adaptation. Nat Commun 15, 6184 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50623-3.
15. Doszhanova B.N., Zatybekov A.K., Didorenko S.V., Suzuki T., Yamashita Y., Turuspekov Y. Identification of quantitative trait loci of pod dehiscence in a collection of soybean grown in the southeast of Kazakhstan. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2024;28(5):515-522. DOI18699/vjgb-24-58.

 Достигнутые результаты за 2024 г.:

В результате были собраны растительный и семенной материал кумарчика (A. squarrosum) в пустынных регионах Казахстана для изучения генетического разнообразия и биохимического анализа. Местами сбора были Балхашский район Алматинской области и Шалкарский район Актюбинской области, отобрано пять популяций по 20 образцов. Семена очищены для последующего анализа с использованием ВЭЖХ и ГХ. Начаты работы по выделению ДНК и по оптимизации обработки семян мутагеном для селекционных целей. Выделены ДНК из 13 образцов из двух популяций кумарчика. На экспериментальном участке установлены механические барьеры и произведен посев типичной флоры, включая кумарчик.

 Публикации (2024 г.): Отсутствуют

 

Результаты за 2025 г.

Осуществлён целенаправленный и систематический сбор растительного и семенного материала популяций кумарчика (A. squarrosum) в засушливых регионах Казахстана. Основной целью данного этапа исследований является изучение генетического разнообразия, биохимических характеристик и адаптационных особенностей вида в условиях аридных экосистем.

В качестве третьей локации для проведения полевых работ был выбран Аральский район Кызылординской области, где сбор материала осуществлялся вблизи посёлков Акеспе, Абай и Жинишкекум.

 

В ходе экспедиции были отобраны 5 популяций кумарчика, каждая из которых включала не менее 20 индивидуальных образцов растений, за исключением 5-й популяции, где по объективным причинам удалось собрать 10 экземпляров. Сбор растительного материала выполнялся в строгом соответствии с общепринятыми методиками ботанических исследований и с учётом экологических особенностей местообитаний, что обеспечивает высокую достоверность и репрезентативность полученных данных для последующих лабораторных анализов. Для каждой популяции зафиксированы координаты точек отбора и основные параметры среды обитания. Полученные образцы будут использованы для комплексного исследования морфологических, биохимических и генетических характеристик A. squarrosum, а также для оценки его потенциала в восстановлении деградированных земель. Ожидается, что результаты анализа позволят выявить ключевые адаптационные механизмы вида к экстремальным условиям засушливого климата и внесут существенный вклад в разработку стратегий сохранения редких и эндемичных видов флоры Казахстана, обладающих высоким экологическим и хозяйственным значением.

Проведён анализ жирнокислотного состава семян популяций, собранных в Актюбинской (4 популяций) и Алматинской (2 популяций) областях, с использованием метода газовой хроматографии с масс-селективным детектором (ГХ-МС). Данный метод позволил выявить качественный и количественный состав жирных кислот, а также установить различия между популяциями, обусловленные их эколого-географическими особенностями. Полученные результаты служат основой для оценки биохимического разнообразия вида и его адаптационного потенциала в условиях различных климатических зон. Кроме того, был оптимизирован протокол анализа аминокислотного профиля семян методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Внесённые изменения в параметры пробоподготовки и режим элюирования позволили повысить чувствительность и воспроизводимость метода. Разработанный подход обеспечит получение точных и сопоставимых данных о содержании аминокислот, что имеет важное значение для последующего изучения метаболических особенностей и физиологической адаптации растений A. squarossum к стрессовым факторам окружающей среды.

Было проведено выделение ДНК из образцов всех популяций, собранных в Алматинской (2 популяции) и Актюбинской (4 популяции) областях. Каждая популяция была представлена 20 индивидуальными образцами растений, что обеспечивает достаточную репрезентативность для последующего молекулярно-генетического анализа. Процедура выделения ДНК осуществлялась по модифицированному методу CTAB, который позволил получить высококачественный и чистый генетический материал, пригодный для проведения ПЦР-реакций и генотипирования. Качество и концентрация выделенной ДНК оценивались с использованием спектрофотометрического анализа и электрофореза в агарозном геле. Дополнительно был проведён праймерный скрининг 50 SSR-маркеров, отобранных на основе литературных источников и данных о генетических исследованиях близкородственных видов. На текущем этапе выполнен скрининг 2 популяций из Алматинской области и 4 популяций из Актюбинской области по 20 SSR-маркерам. Полученные данные будут использованы для подбора наиболее информативных маркеров и проведения последующего анализа генетического разнообразия популяций A. squarossum.

Проведена оптимизация протокола обработки семян кумарчика (A. squarossum) с использованием химического мутагена этилметансульфоната (EMS). В рамках эксперимента были предварительно обработаны семена популяций, собранных в Алматинской области, с варьированием концентрации и времени экспозиции мутагена для определения оптимальных условий воздействия. После обработки семена были проращены в контролируемых условиях, проведена пересадка всходов на твёрдый субстрат, а затем осуществлён перенос растений в крупные ёмкости для дальнейшего наблюдения за ростом и развитием.

 

На протяжении всего вегетационного периода велись наблюдения за морфологическими изменениями и физиологическими показателями мутантных линий, включая темпы роста, форму листьев и степень развития репродуктивных органов. К сожалению, растения, достигшие стадии взрослого развития, оказались стерильными и не сформировали семян. Планируется проведение повторных экспериментов с корректировкой концентрации EMS и условий культивирования, что позволит повысить выживаемость и репродуктивную способность мутантных растений.

Проведены комплексные работы по созданию опытного участка в Актюбинской области. В результате была выполнена установка ограждений и размещение механических барьеров на территории площадью 3 000 м², расположенной вблизи посёлка Жылтыр Шалкарского района. На опытной площадке установлены барьеры, изготовленные из местного камыша в форме квадратных ячеек размером 2 × 2 м. Такие инженерные решения направлены на снижение интенсивности ветровой эрозии, защиту молодых растений от экстремальных погодных условий и сохранение влаги в верхних слоях почвы. Кроме того, на участке проведён посев семян типичных представителей флоры засушливых экосистем Казахстана, среди которых особое внимание уделено кумарчику (A. squarrosum).

Также в Алматинской области, Балхашском районе, вблизи посёлка Бирлик, функционирует ранее созданный опытный участок. На этой площадке продолжаются наблюдения за ростом и развитием кумарчика, посеянных на песчаных дюнах, а также проводится оценка эффективности различных типов механических барьеров.

Помимо этого, начаты подготовительные работы по созданию третьего экспериментального участка в Кызылординской области, Аральском районе, вблизи посёлка Шижага. На данном этапе проведена предварительная оценка ландшафтных условий, отбор площадок для размещения барьеров и определение состава местной растительности. В дальнейшем планируется аналогичная установка механических заграждений и проведение посевов адаптированных видов растений для изучения их устойчивости и роли в закреплении песчаных дюн.

 

Информация для потенциальных пользователей

Результаты проекта направлены на комплексное изучение кумарчика песчаного (Agriophyllum squarrosum) как перспективного вида для восстановления деградированных земель засушливых регионов Казахстана. Они могут быть использованы государственными органами, научными организациями, аграрными и природоохранными структурами, а также организациями, реализующими проекты по рекультивации земель. Полевые исследования в Актюбинской, Алматинской и Кызылординской областях показали эффективность закрепления подвижных песков и снижения ветровой эрозии при сочетании механических барьеров с посевом A. squarrosum. Собранный растительный и семенной материал, биохимические данные о составе семян и результаты молекулярно-генетического анализа позволяют формировать методические рекомендации по фитомелиорации, отбирать адаптированные популяции и сохранять генетические ресурсы вида.

Практическое внедрение результатов проекта создаёт основу для селекционного улучшения кумарчика, повышения устойчивости растений к абиотическим стрессам и устойчивого управления земельными ресурсами. Это позволит снизить темпы деградации и опустынивания, повысить эффективность экосистемных мероприятий и рационально использовать биоресурсы Казахстана. Результаты находятся на стадии апробации на опытных участках и могут быть использованы при разработке пилотных и демонстрационных проектов в регионах страны.