Картофелеводство: наука и технологии. Рубрика в журнале - Сельскохозяйственная биология
Аллельная вариабельность гена ингибитора амилаз AI у сортов и линий картофеля
Статья научная
Экономическая эффективность сорта картофеля обусловлена не только урожайностью, но и сохранностью вкусовых качеств в процессе хранения. Хранение клубней картофеля при низких температурах приводит к деградации крахмала и накоплению редуцирующих сахаров, которые при термической обработке ухудшают вкусовые качества, а также участвуют в реакции образования канцерогена акриламида. Крахмал разрушается до более простых соединений гидролитически и фосфолитически. Гидролитическое расщепление крахмала осуществляют гидролазы, в том числе a- и b-амилазы, которые могут проявлять различную активность в зависимости от ткани, типа органа, клеточной локализации, а также вида растения. Активность амилаз регулируется посттрансляционно ингибитором амилаз (AI), который, связываясь с амилазой, блокирует активный сайт фермента либо изменяет его конформацию, тем самым снижая каталитическую активность. Однако, несмотря на важность роли AI, данные о первичной последовательности как гена, так и кодируемого им белка у представителей рода Solanum крайне ограничены. В представляемой работе нами были получены и проанализированы последовательности гена ингибитора амилаз AI у 36 сортов и линий картофеля отечественной и зарубежной селекции. При этом было выявлено два типа кодирующей последовательности длиной 621 и 630 п.н. в зависимости от наличия 9-нуклеотидной вставки GGTGCAWTT в 3´-области. Анализируемый ген характеризовался крайне высоким уровнем полиморфизма: экзонные последовательности содержали 134 SNPs (singe nucleotide polymorphisms) (21,3 %), которые приводили к 69 замещениям аминокислотных остатков в кодируемом белке (33,0 %). Инсерция GAI/F202 в С-терминальной области AI соответствовала 3´-вставке в последовательности гена. Из выявленных 69 замещений аминокислотных остатков только 11 считаются радикальными и могут приводить к изменению конформации белка. Все анализируемые сорта картофеля были гетерозиготными по указанному гену, и поэтому им соответствовало несколько аллельных вариантов гена. Всего мы выявили 70 аллельных вариантов нуклеотидной последовательности и 69 вариантов - аминокислотной. Наибольшее число нуклеотидных замен между аллельными вариантами гена обнаружено у сортов Люкс (18 замен), Ирбитский (17 замен) и Гала (16 замен). При этом наибольшее число замещений аминокислотных остатков в белках, кодируемых аллельными вариантами гена, было найдено у сортов Гала (9 замен) и Горняк (8 замен).
Бесплатно
Статья научная
Экономическая эффективность сельскохозяйственного производства картофеля зависит не только от количества и качества собранного урожая, но и от условий и сроков хранения клубней, основу питательной и технической ценности которых определяет содержание крахмала. При воздействии низких температур крахмал расщепляется на редуцирующие сахара, что значительно ухудшает потребительские качества клубней. Растительные инвертазы катализируют необратимый гидролиз сахарозы до глюкозы и фруктозы. Однозначно показано, что кислая вакуолярная инвертаза ( Pain-1 ) играет основную роль в холодовом осахаривании клубней картофеля. Настоящая работа посвящена оценке генетического потенциала и характеристике аллельного полиморфизма гена Pain-1, связанного с хозяйственно важными признаками, у отечественных и зарубежных форм картофеля, которые в настоящее время активно используются в селекционных программах. В настоящей работе исследован полиморфизм 5-7-го экзонов гена кислой вакуолярной инвертазы у 69 образцов сортов и линий картофеля российской и зарубежной селекции. В последовательностях выявлено 66 SNPs, из которых 25 описаны впервые (SNP1628, SNP1648, SNP1700, SNP1709, SNP1717, SNP1724, SNP1726, SNP1738, SNP1788, SNP1794, SNP1797, SNP1808, SNP1815, SNP1818, SNP1831, SNP1837, SNP1847, SNP1861, SNP1865, SNP1872, SNP1885, SNP1886, SNP1890, SNP1907, SNP1909). В составе исследуемого участка была найдена значимая замена SNP1544 (C/A), которая коррелирует с повышенным содержанием крахмала в клубнях и находится в гомозиготном состоянии у сортов казахстанской селекции Улан и Астана. Из 42 SNPs в экзонных последовательностях 27 приводили к аминокислотным заменам. У большинства образцов имелись одиночные аминокислотные замены. Максимальным числом замен (семь-восемь) характеризовались сорт Жуковский ранний и линии 165 и 162; у сорта Фрителла и линии 84 замен относительно референсной последовательности не обнаружили. Полученные данные позволяют сделать вывод о высоком полиморфизме фрагмента гена Pain-1 у изученных образцов. В результате выявлены 78 аллельных вариантов фрагмента гена Pain-1 (64 - специфичные, 14 - общие для нескольких образцов), что в дальнейшем может использоваться в селекции для создания сортов с повышенным содержанием крахмала.
Бесплатно
Статья научная
Проблема поражения картофеля заболеваниями, вызванными грибами и грибоподобными организмами, актуальна для всех регионов мира, где возделывается эта культура, поскольку именно они наносят растениям самый значительный ущерб (A. Bernreiter, 2017). Традиционные подходы для идентификации патогенов картофеля нацелены на детекцию конкретного патогена и не учитывают ни другие (часто неизвестные) патогены, ни полезную микробиоту филлосферного сообщества, нарушения которой также могут стать одной из причин заболеваний. В нашей работе впервые исследована патогенная и непатогенная грибная и грибоподобная микрофлора с применением метагеномного подхода. Впервые показано, что реальная картина имеет комплексный и не вполне однозначный характер (например, основной патоген может быть минорным компонентом всего сообщества). Таксономический анализ сообществ, полученных по обоим вариантам праймеров, выявил в образце с поражением типа альтернариоз патогенный гриб рода Alternaria . Использование праймеров для амплификации региона ITS1 позволило обнаружить наличие оомицета Phytophthora и диагностировать присутствие фитофторы при обоих типах поражения. Целью нашей работы была максимально полная идентификация видового состава грибов и грибоподобных организмов, участвующих в фитопатогенезе листьев картофеля, с применением высокопроизводительного секвенирования и двух вариантов универсальных праймеров. Для анализа сообществ из образцов листьев картофеля сорта Никулинский, пораженных заболеваниями альтернариозного и фитофторозного типов, выделили ДНК, которую в дальнейшем использовали для создания ампликонных библиотек фрагментов ITS1 и ITS2 и высокопроизводительного секвенирования на приборе Illumina MiSeq («Illumina, Inc.», США). В процессе биоинформатической обработки данных при помощи программного обеспечения Illumina и программного пакета PIPITS (H.S. Gweon с соавт., 2015), получили 187 ОТЕ (операционные таксономические единицы) и 113 филотипов для библиотеки ITS1, 249 ОТЕ и 127 филотипов для ITS2. Последующее аннотирование ОТЕ и таксономический анализ сообществ проводились в программе QIIME (J.G. Caporaso с соавт., 2010), коэффициенты разнообразия внутри сообщества рассчитывались при помощи программного пакета PAST (Ø. Hammer с соавт., 2001). Сравнительная характеристика сообществ грибов и грибоподобных организмов, полученных для обоих видов поражения с использованием различных универсальных праймеров для ITS1 и ITS2, показала, что из выбранных праймеров только первая пара подходит для детекции фитофторы и дает более выравненную картину сообщества. Инструментов автоматического аннотирования результатов секвенирования оказалось недостаточно для объективной идентификации альтернарии в образцах, в связи с чем мы использовали методы ручного поиска по последовательностям в программе BLASTn (S.F. Altschul с соавт., 1990). Поскольку пара праймеров для ITS2 не учитывала присутствие фитофторы в образцах, дальнейший сравнительный анализ сообществ, характерных для двух типов поражения, проводился с использованием данных только по библиотеке ITS1. Результаты таксономического анализа показали, что на пораженных участках при обоих типах патогенеза формировалось довольно богатое сообщество грибов и грибоподобных организмов, причем в случае с поражением по типу фитофтороза доля соответствующего патогена в сообществе составляет около 30 %, а в варианте с альтернариозом - всего 2,07 %, тогда как значительная часть (около 15 %) приходится на фитофтору, что не исключает так называемого вторичного поражения. Таким образом, в сообществах, сформировавшихся на участках, пораженных заболеванием, доля патогенов составляет не более 30 %, что свидетельствует о выраженной динамике таксономического состава в зоне поражения. Очевидно, что методы высокопроизводительного секвенирования имеют весьма высокий потенциал в фундаментальных и прикладных исследованиях заболеваний растений, имеющих микробиологическую природу.
Бесплатно
Бактериальные патогены картофеля рода Dickeya: мини-обзор по систематике и этиологии заболеваний
Статья научная
В последние годы в Российской Федерации отмечают значительные изменения видового состава возбудителей бактериозов картофеля ( Solanum tuberosum L.) и усиление их вредоносности. Это связано с завозом в страну инфицированного посадочного материала и климатическими изменениями, благоприятными для развития бактериозов, перезимовки патогенов и их переносчиков (насекомых, клещей и нематод), а также с отсутствием в интегрированной защите растений препаратов с бактерицидным действием. Бактерии семейства Enterobacteriaceae вызывают черную ножку, гниль стеблей в поле и мягкую гниль картофеля в хранилищах. В умеренных широтах основными возбудителями бактериозов картофеля считались два вида рода Pectobacterium - Pec-tobacterium atrosepticum (возбудитель черной ножки картофеля) и P. carotovorum (возбудитель мягких гнилей картофеля и овощных культур) (А.Н. Игнатов с соавт., 2015). Однако в последние годы во многих странах отмечено поражения картофеля новыми представителями рода Dickeya, которых долгое время считали возбудителями болезней декоративных и овощных культур. Подробное изучение возбудителей рода Dickeya показало, что эта группа бактерий поражает многие виды растений, включая экономически важные сельскохозяйственные культуры (I.K. Toth с соавт., 2011). Штаммы различались по кругу растений-хозяев, патогенности и фенотипическим свойствам. Установлено, что европейские штаммы, выделенные на картофеле в 1979-1994 годы, в основном относятся к виду D. dianthicola, приспособленному к регионам с умеренным климатом. Тем не менее, с 2005 года варианты Dickeya III биотипа, отнесенные к новому виду D. solani, были обнаружены на картофеле в Европе и стали одними из наиболее агрессивных патогенов этой культуры. Уточнение таксономического положения и разнообразия внутри видов рода Dickeya ( D. сhrysаnthеmi, D. dadantii, D. dianthicola, D. dieffenbachiae, D. paradisiaca, D. zeae, D. solani ) дает основания для разработки новых методов диагностики и борьбы с этими фитопатогенами (L. Tsror с соавт., 2011). За исключением D. dieffenbachiae, все виды рода могут поражать картофель. В ряде областей европейской части России выделены и диагностированы штаммы D. dianthicola и D. solani (А.Н. Карлов с соавт., 2010, 2011; А.М. Лазарев, 2013), секвенирование геномов которых показало их идентичность с бактериями, изолированными в некоторых странах западной Европы и в Латинской Америке (С.В. Виноградова с соавт., 2014). Считается, что D. dianthicola и D. solani перешли на картофель с овощных культур в начале 1990-х годов. Сейчас они поражают растения в большинстве европейских стран, США, Южной Америке, Африке и Азии. На территории России эти бактерии стали причиной серьезных потерь урожая картофеля в последние годы. В 2009-2013 годах было отмечено ежегодное 2-кратное увеличение зараженности партий картофеля этими патогенами. Таким образом, всего за 4 года распространенность возбудителей рода Dickeya в партиях семенного картофеля в России возросла с 3 до 26-28 % (А.Н. Игнатов с соавт., 2015). Защита картофеля от этих патогенов основана на выбраковке зараженного материала и профилактике заражения на всех этапах технологического цикла семеноводства картофеля. Устойчивые сорта пока не обнаружены.
Бесплатно
Статья научная
При создании растительно-микробных ассоциаций in vitro для разработки систем экологически безопасного сельского хозяйства, основанных на замещении минеральных удобрений и пестицидов микробиологическими препаратами, и получения высококачественного оздоровленного посадочного материала особый интерес представляют бактериальные ассоцианты, выделяемые in situ непосредственно из растений и сред их обитания. Использование для их идентификации введенных в стандарт филогенетических маркеров - последовательностей генов 16S рРНК считается достаточно надежным, однако при этом следует принимать во внимание возникающие концептуальные и технические проблемы. Некоторые из них иллюстрирует представляемая работа, в которой приведены результаты молекулярно-генетических и физиолого-биохимических исследований бактериального изолята IPA7.2, выделенного нами из ризосферы картофеля ( Solanum tuberosum L.) сорта Невский. Отметим, что эта культура - один из объектов в изучении растительно-микробной ассоциативности в связи с совершенствованием технологий для получения высококачественного посадочного материала методом микроклонального размножения in vitro. Корректная видовая идентификации изолята основывалась на анализе систематики прокариот, состояние которой отражено в ряде обобщающих публикаций последних лет. В филогенетических конструкциях с близкородственными изучаемому изоляту штаммами родов Ochrobactrum, Brucella, Ensifer, Mesorhizobium, Rhizobium и др., полученных нами на основании сравнения последовательностей ДНК генов 16S рРНК, идентифицируемый изолят находился в непосредственном окружении представителей рода Ochrobactrum. При этом он оказался в составе таксономической группы Ochrobactrum anthropi - одной из 1912 зарегистрированных (по состоянию на ноябрь 2016 года) таксономических групп с 6193 видами прокариот, в каждой из которых сосредоточены виды с совпадающими (или почти совпадающими) последовательностями ДНК гена 16S рРНК (http://www.ezbiocloud.net/identify). В соответствии с концептуальными положениями, сформулированными в имеющихся публикациях, видовые различия внутри этих групп определяются иными молекулярно-генетическими (и физиолого-биохимическими) свойствами и с большой вероятностью связаны с горизонтальным переносом генов. С учетом совокупности результатов, полученных при сравнении свойств культур на основе полифазного подхода, выделенный нами штамм IPA7.2 ближе всего соответствует известному типовому штамму Ochrobactrum lupini LUP21. O. lupini LUP21 способен реинфицировать бобовые растения рода Lupinus и несет гены нодуляции и азотфиксации ( nodD и nifH ), полученные им от ризобиальных видов посредством горизонтального переноса. Это дает основание идентифицировать изучаемый изолят как Ochrobactrum lupini IPA7.2, который может оказаться перспективным бактериальным ассоциантом растений картофеля
Бесплатно
Статья научная
Свойственный растениям иммунитет направлен на защиту от биотических и абиотических стрессов и, как следствие, на адаптацию к изменяющимся условиям среды. На первом уровне защиты используется широкий спектр рецепторов фитопатогенов, кодируемых R- генами устойчивости. Присутствие в рецепторах консервативного NBS-домена дает возможность маркировать геном растения с помощью амплификации аналогов R- генов. На этом основано мультилокусное NBS-маркирование, которое позволяет эффективно охарактеризовать геном растения с точки зрения представленности и вариабельности семейства R- генов, продукты которых имеют NBS-домен. Этот метод применяется для изучения разнообразия локусов R- генов устойчивости сельскохозяйственных культур и родственных им дикорастущих видов, явлений интрогрессивной гибридизации и эволюции R- генов у видов растений с различной степенью резистентности к патогенам. Также с помощью NBS-маркирования проводится генотипирование коллекций генбанков, разработка кодоминантных маркеров и насыщение генетических карт. Существующая необходимость паспортизации и сравнения генотипов сортов и ограниченное число таких работ в России делают актуальными исследования по молекулярному маркированию сортов агрокультур отечественной и зарубежной селекции, возделываемых на территории Российской Федерации. В настоящей работе NBS-маркирование было использовано для генотипирования 60 сортов и пяти перспективных селекционных клонов картофеля Solanum tuberosum отечественной и зарубежной селекции, а также образца родственного вида Solanum stoloniferum (в качестве внешней группы). С помощью двух комбинаций праймер/фермент (NBS7/MseI и NBS9/MseI) было сгенерировано 204 NBS-фрагмента, включая 144 (70,6 %) полиморфных и один уникальный для сорта Гала. Для каждого сорта был определен индивидуальный, специфичный спектр NBS-фрагментов. Анализ матрицы генетических расстояний между сортами показал, что исследуемая выборка сортов высокополиморфна (GD = 0,18-0,45 при среднем значении 0,33). Генетические расстояния внутри анализируемой выборки варьировали больше, чем между сортами S. tuberosum и образцом S. stoloniferum (0,27-0,40). Наиболее близкими оказались сорта селекции Всероссийского НИИ картофельного хозяйства им. А.Г. Лорха Солнечный/Памяти Рогачева (GD = 0,18) и Великан/Вымпел (GD = 0,19), а наиболее удаленными - сорта Чароит/Ред Скарлетт (GD = 0,45). Был проведен статистический анализ результатов NBS-маркирования, который позволил кластеризовать изучаемые образцы картофеля по различным признакам, связанным с родословной и устойчивостью к фитопатогенам. На дендрограмме и графиках, построенных с помощью программ PAST и Structure 2.3.4, наблюдалась слабая тенденция к группировке сортов по признакам устойчивости к Y вирусу картофеля (Potato virus Y, Potyvirus , Potyviridae ) и вирусу скручивания листьев картофеля (Potato leafroll virus, Polerovirus , Luteoviridae ). Продемонстрировано, что использованные в настоящей работе системы праймер/фермент для NBS-анализа могут быть применены в дальнейшем для исследования механизмов устойчивости сортов картофеля к биотическим стрессам.
Бесплатно
Гены-мишени для получения сортов картофеля (Solanum tuberosum L.) с заданными свойствами крахмала
Статья обзорная
Крахмал - важное сырье органического происхождения, легкодоступное в промышленных масштабах для хозяйственной деятельности человека. Оптимальный набор физико-химических свойств молекул амилозы и амилопектина, составляющих крахмал, значительно варьирует в зависимости от области применения. Молекулярный, надмолекулярный состав и строение этих молекул регулируются генами биосинтеза и могут рассматриваться как фенотипические признаки, по которым возможна селекция. Комбинируя определенные варианты генов, можно запрограммировать растения картофеля на производство крахмала с заданной структурой и свойствами. Цель представленного обзора - обсуждение вариантов генов или их сочетаний, программирующих биосинтез крахмала в той или иной модификации, в зависимости от планируемого практического результата при последовательной постановке задачи на этапах «промышленное применение крахмала®свойства крахмала®белки (ферменты)®кодирующие гены». Для изменения генотипа растений может использоваться как классическая или маркер-опосредованная комбинационная селекция, так и методы генетической инженерии, в том числе получение нетрансгенных растений с заданными свойствами на основе технологий геномного редактирования. Биосинтез крахмала в клетках мякоти клубня картофеля происходит в цитозоле и пластидах с участием семи основных ферментов и завершается в крахмальной грануле (на ее поверхности или внутри) с привлечением еще около десятка ферментов. Так, нокаут гена GBSS кардинально повышает содержание амилопектина в крахмале, достигающее более 98 %, поэтому именно генотипы с нокаутом по указанному гену были получены раньше других генетически модифицированных форм картофеля с измененным крахмалом и протестированы в полевых условиях в качестве технической культуры. Крахмал с высоким содержанием амилопектина дает гели повышенной оптической прозрачности, устойчивости при центрифугировании, а также демонстрирует повышение максимальной и конечной температуры желатинизации и измененные реологические свойства. Если кроме гена GBSS ингибировать гены крахмалсинтаз SSII и SSIII, то крахмал образует гели, которые значительно стабильнее получаемых из обычного крахмала в условиях длительной заморозки и в циклах «замораживание-оттаивание». Ингибирование гена SBEI, кодирующего основной разветвляющий фермент, на практике не приводит к повышению количества амилозы в модифицированном картофеле. Однако совместное подавление экспрессии генов SBEI и SBEII позволяет получать крахмал с высоким содержанием амилозы (60-89 %) с примесью небольшого количества амилопектина. При усилении экспрессии фермента SBEII образуется крахмал с повышенной степенью разветвленности молекул амилопектина и укороченными цепями. При подавлении экспрессии SBEII, наоборот, степень разветвленности амилопектина снижается и возрастает количество удлиненных цепей. Нокаут гена GWD приводит к синтезу амилопектина со сниженным содержанием фосфатных групп и, соответственно, к уменьшению вязкости гелей на основе такого крахмала. Кроме того, скорость биокаталитического гидролиза крахмала с пониженным содержанием фосфатных групп уменьшается. Повышенный уровень экспрессии SSIV приводит к увеличению содержания крахмала в клубнях трансгенных растений как в теплице, так и в полевых условиях. На генетическом уровне можно также корректировать морфологию и кристалличность гранул крахмала. Как правило, морфологические признаки, в том числе физико-хими-ческие свойства крахмала, регулируются не одним-двумя генами, а генной сетью. Поэтому выявление локусов количественных признаков и идентификация диагностических маркеров на их основе позволяет применять методы маркер-ориентированной селекции (marker-assistant selection - MAS) для получения сортов картофеля, продуцирующих крахмал с заданными свойствами, который будет представлять собой оптимальное сырье для тех или иных отраслей промышленности.
Бесплатно
Статья научная
Для производства мини-клубней семенного картофеля во многих регионах Российской Федерации используют летние теплицы. Разработка технологий эффективной и экологически безопасной защиты семенного картофеля от насекомых - переносчиков вирусов в теплицах актуальна для отечественного картофелеводства. Хищные кокцинеллиды (Coleoptera, Coccinellidae) успешно используются в борьбе с тлями в условиях защищенного грунта. Однако на семенном картофеле эти агенты биологического контроля пока не применялись. Целью нашей работы была разработка способов применения кокцинеллид-афидофагов в системе превентивной защиты семенного картофеля в теплицах. Объектами исследований стали два вида хищных коровок - Harmonia axyridis Pall. и Cheilomenes sexmaculatus Fabr. Устойчивость личинок кокцинеллид к голоданию оценивали в лабораторных условиях при температуре 24 °С и влажности 60-70 %. Для превентивных выпусков личинок в теплицы определяли оптимальную массу особей. Личинок IV возраста в течение 1-2 сут после линьки содержали при избытке корма, ежесуточно отбирая особей для опыта. Отобранных личинок взвешивали и распределяли по группам в зависимости от массы. В каждом из выделенных размерных классов рассчитывали среднюю продолжительность голодания и долю окуклившихся особей. Мониторинг местных энтомофагов и выпуск кокцинеллид проводили в семеноводческом хозяйстве ЗАО «Октябрьское» (Волосовский р-н, Ленинградская обл.). Личинок H. axyridis выпускали в пленочной теплице площадью 600 м2 на картофель сорта Ред Скарлетт. Выпуск осуществляли в период с 12 июня по 10 июля 2017 года. Еженедельно оценивали численность кокцинеллид (личинок, куколок и имаго) в теплице. Показано, что у личинок H. axyridis II-III возраста даже краткосрочный (2 сут) дефицит корма приводил к снижению выживаемости до 8-12 %. Поэтому для профилактической колонизации на картофеле использовать их нецелесообразно. К оптимальному эффекту приведет выпуск личинок IV возраста такого размерного класса, в котором вероятность окукливания особей составляет около 50 %. Для H. axyridis мы рекомендуем выпускать личинок массой 20-29 мг, для Ch. sexmaculatus -
Бесплатно
Статья научная
Среди сортов картофеля для производителя наиболее ценны высокопродуктивные, обладающие комплексом признаков (в том числе устойчивостью к болезням и вредителям) с относительной стабильностью урожая в варьирующих условиях выращивания. При создании высокопродуктивных адаптивных сортов картофеля для регионов с жесткими агроклиматическими условиями важен подбор исходного материала с высокой экологической пластичностью и стабильностью в конкретной зоне возделывания. В представленных исследованиях впервые дана оценка нового исходного материала картофеля, созданного в почвенно-климатических условиях Западной Сибири, имеющего высокую урожайность, комплексную относительную устойчивость к грибным болезням, Y-вирусу картофеля и золотистой картофельной нематоде. Выделенные новые генетические источники картофеля используются в практической селекции на продуктивность и высокую адаптивность. Цель работы - определить показатели адаптивности у исходного материала картофеля в условиях северной лесостепи Западной Сибири (Кузнецкая котловина, Кемеровская обл., Кемеровский р-н). Эксперименты проводили в 2014-2018 годах. Общая площадь делянки - 70 м2, учетная - 20 м2, повторность 4-кратная, варианты размещались рендомизированно. Посадку проводили в III декаде мая картофелесажалкой Cramer («CRAMER Technik», Германия) с нормой 35,0 тыс/кустов на 1 га, схема посадки 70×35 см. Исследовали 170 образцов в коллекционном питомнике, в том числе коллекционные гибриды картофеля ( Solanum tuberosum L.), созданные в Кемеровском НИИ сельского хозяйства (филиал СФНЦА РАН). Стандартом служили сорта Любава (ранний), Невский (среднеранний) и Тулеевский (среднеспелый). В результате исследования среди коллекционных образцов картофеля выделены генотипы экстенсивного тип с низкой экологической пластичностью (bi менее единицы - 0,28-0,91): сорта Любава, Невский, Тулеевский и гибриды 6-4-11, 22103-10. Наибольшей реакцией на условия выращивания выделился гибрид 3-21с-11 (bi = 1,53), имеющий среднюю стабильность по урожайности (Si2 = 14,6). Гибриды 22103-10 и 3-21с-11 являются донорами генов устойчивости к Y-вирусу картофеля ( Ryсhc ), золотистой картофельной нематоде Globodera rostochiensis (Woll.) ( H1 ) и бледной нематоде Globodera pallida (Stone) Behrens ( Gpa2 ). По комплексной оценке особую ценность для селекции представляют три гибрида интенсивного типа (17-5/6-11, 1-5-12 и 1615-10), проявляющие высокие адаптивные свойства - повышенную экологическую пластичность (bi соответственно 1,38; 1,20 и 1,17) и высокую стабильность (Si2²соответственно 1,1; 9,4, 5,2). При этом гибрид 17-5/6-11 проявил себя как донор генов устойчивости к Y-вирусу картофеля (Potato virus Y, PVY) ( Ryсhc ) и к золотистой картофельной нематоде ( Н1 по трем маркерам TG 689, 57 R, N 195). Генотип гибрида 1-5-12 содержит комбинацию генов Н1 (все три маркера) и Gro1-4 (контролируют устойчивость к G. rostochiensis ), а также ген Gpa2 (устойчивость к G. pallida ) и гены устойчивости к Y-вирусу Ryсhc и Rysto . Проведенная многолетняя оценка устойчивости коллекционных образцов картофеля к грибным болезням, вызываемым Phytophthora infestans (Mont.) de Bary (фитофтороз), Alternaria solani (Ell. et Mart.) Sor. (альтернариоз), Fusarium oxysporum Schlecht. (фузариозное увядание), Rhizoctonia solani J.G. Kühn (ризоктониоз) и Actinomyces scabies Gussow (парша обыкновенная) показала относительную устойчивость (7-9 баллов) у всех выделившихся гибридов.
Бесплатно
Статья обзорная
Одни из наиболее вредоносных заболеваний картофеля - так называемая черная ножка и связанная с ней мягкая гниль клубней, вызываемые бактериями Pectobacterium carotovorum subsp. carotovorum, P. atrosepticum и Dickeya spp. Ежегодные потери урожая от этих болезней составляют 10-15 %, а в эпифитотийные годы могут превышать 50 %. В настоящее время ни один из коммерческих сортов картофеля не обладает высокой устойчивостью по отношению к этим бактериозам, поскольку в большинстве существующих программ селекции признак ранее не относился к приоритетным. В последние годы во всех странах мира, включая Россию, потери картофеля, связанные с черной ножкой и мягкой гнилью, существенно возросли, что увеличивает востребованность устойчивых к бактериозам сортов картофеля, а также эффективных методик оценки устойчивости исходного материала, новых сортов и гибридов. Слабая корреляция между степенью устойчивости картофеля к черной ножке и мягкой гнили клубней приводит к необходимости параллельной оценки по каждому из этих признаков (R. Czajkowski с соавт., 2011). Выбор наиболее предпочтительного метода лабораторной оценки зависит от целей исследователя, а также доступности биологического материала, оборудования и помещений. В представленном обзоре подобно рассмотрены достоинства и недостатки известных методик, а также перечислены факторы и условия проведения тестирования, способные повлиять на их конечные результаты. В условиях крупных селекционных центров оценка устойчивости растений к черной ножке может быть выполнена in vitro на эксплантах. Эта методика надежна и обеспечивает быстрое и масштабное воспроизводство устойчивых генотипов (I. Hudák с соавт., 2006). При необходимости сохранить растение для других исследований используется метод отделенных листьев (A. Sima с соавт., 2015). Такой вариант лабораторной оценки обеспечивает результаты, хорошо согласующиеся с данными полевых оценок устойчивости и подходит для массового скрининга доноров устойчивости среди дикорастущих видов Solanum или трансгенных растений. Селекционеры, работающие с ботаническими семенами картофеля, а также микро-, мини- и обычными клубнями, применяют метод оценки устойчивости в контролируемых условиях (V.S. Bisht с соавт., 1993). Оценка устойчивости клубней к мягкой бактериальной гнили может быть выполнена методами вакуумной инфильтрации (M. Koppel, 1993), а также инокуляции в анаэробных (R.A. Bain с соавт., 1988) и аэробных (I. Hudák с соавт., 2009) условиях. Исследования проводятся как на целых клубнях, так и на высечках и ломтиках. В последнем случае продолжительность эксперимента заметно снижается (K.S. Tzeng с соавт., 1990). В качестве критерия оценки используют размер некроза тканей в месте инокуляции, массу или объем пораженных тканей, отношение массы здоровых и пораженных тканей или площади пораженной поверхности к поверхности всего клубня. Следует учитывать, что сравнение результатов, полученных разными методами, может оказаться некорректным. Планирование и проведение экспериментов по оценке клубней на устойчивость к мягкой гнили требует стандартизации ряда факторов, влияющих на конечные результаты; несоблюдение этого условия сделает невозможным объективное сравнение полученных результатов. Среди факторов следует упомянуть видовую принадлежность инокулюма, температуру тканей клубня и бактериальной суспензии в момент инокулирования, температуру инкубации после инокулирования, а также точку инокуляции или место, откуда была сделана высечка. В отношении оценки устойчивости растений к проявлению симптомов черной ножки исследования таких факторов практически не проводились.
Бесплатно
Статья научная
Против болезней картофеля в России в настоящее время используют 17 биопрепаратов на основе штаммов-продуцентов Bacillus subtilis и Trichoderma asperellum ( = T. harzianum ). В мире накоплен большой опыт получения и применения традиционных сухих и жидких препаративных форм промышленных биопрепаратов. Однако недостаточны сведения об эффективности форм, разрабатываемых на основе мультибиоконверсии техногенных отходов, что актуально в связи с экологической значимостью этой проблемы и поиском ресурсов дешевого и доступного сырья. Настоящая работа представляет успешный опыт использования растительных отходов в качестве субстрата при выращивании съедобных грибов, а затем микробных штаммов и получения гранулированных антифунгальных биопрепаратов. Это актуальный подход к биотехнологиям более безопасного использования отходов и превращения их в полезные продукты. Цель исследования - получить экспериментальные образцы принципиально новых мультибиоконверсионных препаратов на основе микробов-антагонистов для защиты картофеля от болезней и оценить их эффективность. Технология включала мультибиоконверсию растительных отходов (смесь опилок с пшеничными отрубями) посредством выращивания последовательно Lentinula edodes (Berk.) Pegler (шиитаке) и Pleurotus ostreatus (Jacq.: Fr.) P. Kummer НК-35 (вешенка), а затем штаммов-продуцентов B. subtilis B-10 и T. asperellum Т-36. Оценка питательной ценности субстрата, полученного в результате разложения целлюлозы и лигнина из первичной смести отходов, выявила более высокое содержание белка (9,4±0,3 против 2,7±0,3 и 4,3±0,1 %) и азота (1,5±0,3 против 0,4±0,1 и 0,6±0,1 %), а также пониженное соотношение C:N (38,3 против 81,2 и 92,9) по сравнению с субстратом, обычно используемым для выращивания шиитаке, или с торфом как одним из субстратов для твердофазной ферментации. Жидкий инокулюм штаммов-продуцентов получали на стандартных питательных средах Чапека (ООО «Биокомпас-С», Россия) и кукурузно-мелассовой («Каргилл», ООО «Агроресурс», Россия). При твердофазной ферментации дважды (мульти-) биоконвертированный субстрат (последовательное выращивание шиитаке и вешенки) инокулировали B. subtilis B-10 (0,9×109 сп/мл) и T. asperellum T-36 (2,8×1010 КОЕ/мл) и культивировали в течение 10 сут при 25-28 °С. Лабораторные образцы биопрепаратов тестировали в полевых условиях на картофеле сорта Елизавета (ПК «Шушары», Ленинградская обл., 2011 год). Применили взаимоортогональную организацию полевого опыта со сплошным размещением вариантов в 4-кратной повторности на площади 0,5 га; площадь учетной делянки - 10 м2, общий объем выборки - 482 растения. Препараты применяли 1-кратно: при посадке (12 мая 2011 года) клубни перемешивали в бункере картофелесажающего агрегата с твердофазными мультиковерсионными биопрепаратами при норме расхода в каждом варианте 1 кг на 1,5 т клубней (2 кг/га). Препараты сочетали с базовыми агротехническими и защитными мероприятиями, используемыми при выращивании сорта. Они включали послепосадочную обработку почвы гербицидом Sencor® (Зенкор Ультра, КС, 800 г/л; «Bayer Crop Science», Германия); послевсходовые 2-кратные (интервал 1 нед) внесения комплексного минерального препарата Terraflex® (Террафлекс 17/17/17, П, 2,8 и 1,6 кг/га; «Nu3 N.V.», Бельгия); послевсходовые 1-кратные внесения содержащего микро- и мезоэлементы комплекса Аквадон микро (2,0 л/га; «Оргполимерсинтез», Россия), микробиологического удобрения Экстрасола® (2 л/га; «Бисолби-Интер», Россия), стимулятора роста Циркон, Р (0,1 г/л; 10 г/га; АНО «НЭСТ М», Россия) и обработки гербицидами Лазурит Т, СП (700 г/кг; 0,5 л/га; АО «Август», Россия) и Titus™ (Титус, СТС, 250 г/кг; 20 г/га; «DuPont», США); также после смыкания рядков растения обрабатывали фунгицидами: Bravo® (Браво, КС, 500 г/л; 1,5 л/га; «Syngenta AG», Швейцария) и Ridomil gold® (Ридомил Голд, ВДГ, 640 + 40 г/кг; 1,5 л/га; «Syngenta AG», Швейцария) - через 2 нед, Revus® (Ревус, КС, 250 г/л; 250 г/га; «Syngenta AG», Швейцария) - через 4 нед и Shirlan® (Ширлан, СК, 500 г/л; 0,4 л/га; «Syngenta AG», Швейцария) - через 6 нед. Последнюю подкормку Террафлекс финал (2,8 кг/га) в сочетании с обработкой Ширлан, СК (0,4 л/га) проводили за 2 нед до уборки урожая. Вариант без применения биопрепаратов служил контролем. Использовали стандартные методы учета урожайности, биометрических (рост, облиственность) и фитопатологических (распространенность и развитие болезней) показателей, статистической обработки результатов (расчеты средних и их стандартных ошибок, дисперсионный анализ ANOVA). Статистическую значимость различий оценивали по t -критерию Стьюдента для попарного сравнения вариантов. Биометрические учеты с фиксацией появления симптомов заболеваний проводили на 3-недельных проростках (1-2-й ярус листьев) и при смыкании рядков, два фитопатологических учета - в начале и в конце цветения; финальный учет выполняли при сборе урожая клубней.
Бесплатно
Об эффективности обработки семенных клубней картофеля этиленом
Статья научная
Картофель ( Solanum tuberosum L.) - одна из важнейших сельскохозяйственных культур в России. Клубни картофеля содержат белок, отличающийся высокой биологической ценностью, крахмал и необходимые для человека витамины. Известны различные способы повышения урожайности этой культуры, центральное место среди которых в настоящее время занимает внесение минеральных удобрений. Однако этот способ имеет свои ограничения, поскольку увеличение фона питания сопряжено с ухудшением потребительских и кулинарных показателей клубней. Одна из возможных альтернатив - газация семенных клубней этиленом. Этот фитогормон широко применяется на различных культурах, но его влияние на картофель пока до конца не изучено. Известно, что в зависимости от режимов обработки он может выступать в качестве как стимулятора, так и ингибитора прорастания клубней. Нами разработан новый способ повышения урожайности картофеля, основанный на свойстве фитогормона этилена подавлять апикальное доминирование в начале прорастания клубней и тем самым способствовать формированию большего числа боковых ростков, из которых образуются дополнительные стебли. Цель исследований - определить влияние обработки семенных клубней картофеля этиленом на их биохимические показатели, а также на рост, развитие и урожайность культуры. Опыты проводили на базе хранилищ АО «Озеры» (Озерский р-н, Московская обл.). Газацию осуществляли по адаптированной технологии фирмы «Restrain Company Ltd» (Великобритания). Температура хранения семенного картофеля составляла 4 °С, срок газации этиленом - с ноября по конец апреля. Подачу этилена прекращали за 3-5 сут до посадки. Обработанный этиленом картофель высаживали в 2015-2017 годах на территории Московской области. Двухфакторный полевой опыт проводили в Люберецком районе на экспериментальной базе «Коренево». Опыт мелкоделяночный, почва - дерново-подзолистая супесчаная. Семенные клубни картофеля сортов зарубежной селекции Lady Claire (ранний), Gala (среднеранний) и Saturna (среднепоздний) обрабатывали этиленом. В контроле обработку не проводили. Трехфакторный опыт закладывали в Озерском районе при крупнотоварном производстве картофеля на базе хозяйства АО «Озеры». Почва - дерново-подзолистая суглинистая; общая площадь опыта 40 га. Использовали те же сорта и обработку, что и в первом опыте, а также учитывали орошение посевов. Проводили 2-3 полива по 200 м3/га. В обоих опытах картофель высаживали в I декаде мая. Густота посадки 45 тыс. клубней/га, ширина междурядий 75 см, фон минерального питания N60P120K120 при локальном внесении удобрений. Определяли биохимические и биометрические показатели, а также урожайность картофеля. Было установлено, что обработка семенных клубней этиленом при 4 °С вызывала изменение их биохимических показателей (содержание сухого вещества снижалось на 0,2-0,5 %, сахарозы - повышалось на 0,03-0,08 %), что свидетельствовало о выходе клубней из состояния естественного покоя. Происходило подавление апикального доминирования и формирование большего числа боковых ростков на клубнях, образовывалось большее число стеблей на куст (на 19,9-36,0 %), увеличивалось число клубней на куст (на 6,3-19,0 %, в особенности у сорта Gala). Урожайность картофеля возрастала на 9,9-19,0 % в зависимости от сорта, района выращивания и орошения. Также была отмечена более однородная структура урожая. В зависимости от уровня культуры земледелия и применяемой в хозяйстве агротехники предложен дифференцированный подход в выборе нормы высева семян: при низкой агротехнике и отсутствии орошения норму высева обработанных этиленом клубней в расчете на ту же урожайность можно снизить на 10-15 %.
Бесплатно
Статья научная
Коллекция картофеля, собранная во Всероссийском институте генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР), - одна из крупнейших и старейших в мире. Коллекционные образцы, которые в процессе хранения длительно репродуцируют клубнями, могут накапливать вирусные инфекции, поэтому разработка эффективных методов оздоровления растений картофеля крайне актуальна. Взяв за основу протоколы термо- и химиотерапии, а также комплексной терапии, используемые в ведущих генбанках картофеля (Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research - IPK, Германия; International Potato Centre - CIP, Перу), мы разработали модифицированный метод комбинированной терапии, включающий три последовательных цикла выращивания in vitro растений на среде Мурасиге и Скуга (MS) с рибавирином (30 мг/л) при температуре 37 °С в течение 4 нед. В промежутках между этими циклами микрорастения в течение 2 сут выдерживались при температуре 26 °С на той же среде с рибавирином. В качестве материала исследований использовали 91 клон 85 образцов трех южно-американских культурных видов из полевой коллекции ВИР: Solanum phureja - 18 образцов, S. stenotomum - 26 образцов, S. tuberosum ( S. tuberosum ssp. andigenum и S. tuberosum ssp. tuberosum ) - 41 образец. Согласно результатам иммуноферментного анализа (ИФА) исходных растений и тестирования микрорастений, полученных после введения в культуру in vitro тех же клонов, в ОТ-ПЦР (ПЦР с обратной транскрипцией), материал был в разной степени поражен вирусами (Y-, X-, S-, M-вирус картофеля и вирус скручивания листьев картофеля - соответственно YВК, XВК, SВК, MВК и ВСЛК). При этом у 25,3 % клонов выявили простые инфекции, у остальных - смешанные (растения были заражены несколькими вирусами одновременно в различных сочетаниях). При сравнении результатов ОТ-ПЦР-анализа до и после проведения разработанной процедуры комбинированной термо-химиотерапии по каждому клону эффективность оздоровления от ВСЛК в целом по выборке (91 клон) составила 72,7 %, от YВК - 71,4 %, от MВК - 63,9 % и от SВК - 57,4 %. Всего 42 клона (46 %) оказались полностью свободными от тестируемых вирусов, у 44 % клонов произошла элиминация отдельных вирусов и 10 % клонов не удалось оздоровить. Различия в эффективности оздоровления растений от каждого из тестируемых вирусов не были значимыми (р > 0,05). Существенных различий между образцами изученных культурных видов картофеля по частоте элиминации вирусов мы также не обнаружили. Предложенная модификация отличается от протоколов IPK (Германия) одновременным воздействием повышенной температуры (37 °С) и рибавирина (вместо их последовательного применения), а от схемы, используемой в CIP (Перу), - меньшим числом этапов.
Бесплатно
Статья научная
Адаптация регионального сортимента сельскохозяйственных культур к смене климатических условий требует численной оценки наблюдаемых тенденций в проявлении основных характеристик сортов и выявления факторов, вызывающих эту динамику. Ранее в наших исследованиях сообщалось, что в последние десятилетия хозяйственно ценные признаки районированных ранее сортов картофеля достоверно изменялись. В представляемой работе мы обобщили результаты изучения тенденций этих вариаций в условиях европейской территории России, оценив вклад климатических факторов в изменчивость, и обнаружили, что в наибольшей степени хозяйственно ценные признаки картофеля зависят от температуры в условиях либо недостатка, либо избытка тепла. С использованием корреляционного-регрессионного анализа выявлены важнейшие агроклиматические факторы, определяющие развитие растений картофеля на европейской территории России. Ими оказались рост суммы температур выше 15 °С и более ранний переход температурных значений выше 15 °С, что ускоряло прохождение наиболее метеозависимых фаз (всходы и цветение). В статье проанализированы длинные ряды наблюдений за фенологией, массой клубней на одном растении и содержанием крахмала в клубнях у сортов, которые служат стандартами при исследовании коллекции картофеля во Всероссийском институте генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР) на опытных станциях (ОС) с контрастными климатическими условиями: на Полярной ОС ВИР (Мурманская обл., сорт Хибинский ранний, 1968-2013 годы), в Пушкинских лабораториях ВИР (г. Санкт-Петербург, сорт Невский - 1984-2004 годы, сорта Елизавета, Петербургский - 1999-2010 годы), на Майкопской ОС ВИР (Республика Адыгея, сорт Невский, 1990-2012 годы). Для выявления значимых климатических факторов был использован корреляционно-регрессионный анализ. Показано, что на Полярной ОС ВИР (недостаток тепла) период посадка-цветение сокращался за годы исследования со скоростью 2,4 сут за 10 лет, сумма температур за этот период уменьшалась со скоростью 15,9 °С за 10 лет. На Майкопской ОС ВИР (избыток тепла) эти показатели составили соответственно 6,6 сут за 10 лет и 73,8 °С за 10 лет. Период от цветения до уборки увеличивался на Полярной ОС ВИР и сокращался на Майкопской ОС ВИР. На Майкопской ОС ВИР сумма температур за период посадка-уборка также уменьшалась (на 253,4 °С за 10 лет). В контрастных климатических условиях суммы температур в межфазные периоды оказались менее стабильным показателем, чем продолжительность этих периодов. На Полярной ОС ВИР масса клубней на растении и крахмалистость клубней повышались, тогда как на Майкопской ОС ВИР урожайность увеличивалась, а крахмалистость уменьшалась. Согласно построенным регрессионным моделям, можно ожидать дальнейший рост урожайности картофеля на европейской территории России при более раннем цветении, удлинении периода от цветения до уборки. В качестве меры адаптации к изменениям климата в этих условиях может быть предложена по возможности более ранняя посадка картофеля. Также целесообразно исследовать возможности более позднеспелых сортов.
Бесплатно
Статья научная
При хранении продовольственного и семенного картофеля существенные потери обусловлены высоким фитопатогенным фоном семян и клубней. В связи с этим внимание исследователей привлекают биологические средства защиты на основе биоконтрольных микроорганизмов. Род Pseudomonas бактерий, относящихся к группе PGPR (plant-growth promoting rhizobacteria), включает виды, наиболее эффективно колонизирующие высшие растения и используемые в биопрепаратах. Нами впервые исследованы особенности влияния психрофильного штамма бактерий Pseudo-monas sp. RF13H на сохранность клубней холодоустойчивых промышленных сортов картофеля, рекомендованных для выращивания в Ленинградской области, определена эффективность защиты клубней от ряда фитопатогенных организмов в условиях холодильного хранения, оценена динамика численности интродуцируемого штамма на поверхности клубней в период хранения. С помощью флуоресцентной in situ гибридизации и конфокальной сканирующей лазерной микроскопии впервые изучена локализация клеток бактерий и колонизация ими поверхности клубней при нормальной и пониженной температуре, указывающая на взаимовыгодные условия растительно-микробных отношений. Определив таксономическое положение ряда штаммов псевдомонад методами молекулярно-генетического анализа и охарактеризовав их хозяйственно ценные физиологические свойства (фунгицидная и бактерицидная активность, скорость роста в диапазоне пониженных температур, продукция ауксиноподобных фитогормонов), мы выявили перспективный психрофильный штамм Pseudomonas sp. RF13H и изучили возможности его применения для повышения сохранности и оптимизации биохимических процессов в клубнях картофеля при низкотемпературном хранении. Так, обнаружено снижение частоты фитопатогенных микроорганизмов на поверхности клубней при их обработке Pseudomonas sp. RF13H. Среднее число клубней, пораженных всеми типами инфекций, при такой обработке снизилось более чем на 50 % в сравнении с контролем. Тенденция сохранялась на протяжении 3 мес: в контрольных образцах доля пораженных клубней достигала 30 %, в то время как интродукция биоконтрольного штамма позволила уменьшить этот показатель до 10-13 %. При температуре 4 °С численность биоконтрольного штамма бактерий на поверхности клубней оставалась достаточно стабильной на протяжении 5 мес, существенно снизившись к концу хранения до следовых количеств. Отмечено формирование микроколоний бактерий, которые часто локализованы в углублениях и нишах на поверхности клубня. Кроме того, высокая плотность бактерий была обнаружена на границе между клетками перидермы клубней и в местах экссудации биохимических веществ, которые служат питанием для бактерий. При сравнительном изучении функции ферментов антиоксидантной защиты (каталазы, пероксидазы, супероксиддисмутазы) установлено, что интродукция Pseudomonas sp. RF13H способствует активации окислительно-восстановительных процессов, повышая устойчивость клубней к заражению. Показано, что изучаемый штамм положительно влияет на состав микробиома эпидермиса картофеля. В итоге вследствие индукции собственного иммунитета и создания барьера для проникновения болезнетворного организма заражение клубня снижается.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время в мире существуют сотни научных журналов, публикующих результаты исследований в различных областях биологии растений и агробиологии. Сотни тысяч международных патентов содержат сведения по агробиотехнологии. Число статей и патентов со временем растет в экспоненциальной прогрессии. Например, изучению важнейшей сельскохозяйственной культуры Solanum tuberosum L. посвящено более 1,5 млн публикаций. Анализ такого огромного количества экспериментальных фактов, представленных в текстовых источниках (научных публикациях и патентах), требует применения автоматизированных методов извлечения знаний (text-mining). Интеллектуальные методы автоматического анализа текстов уже широко применяются в биологии и медицине для извлечения информации о свойствах и функции молекулярно-генетических объектов. Основанные на таких методах системы осуществляют экстракцию представленных в документах знаний, их интеграцию и представление в формализованном виде в соответствии с онтологией предметной области, и это отличает их от таких систем, как Google, Яндекс и др., где для поиска документов используются ключевые слова. Среди известных систем интеллектуального извлечения знаний из научных публикаций можно выделить STRING, LMMA, ConReg, GeneMania и др. Ранее впервые в России нами была разработана система интеллектуального извлечения знаний в области биомедицины ANDSystem, которая содержит более 10 млн фактов о молекулярно-генетических взаимодействиях для человека и животных из более чем 25 млн научных публикаций. Для извлечения знаний в ANDSystem используются специальные семантико-лингвистические правила, позволяющие распознавать в естественноязыковых текстах взаимодействия между соответствующими объектами - белками, генами, метаболитами, лекарства, микроРНК, биологическими процессами, заболеваниями и др. Однако задача автоматизации извлечения знаний из текстов по биологии растений, агробиологии и агробиотехнологиям до сих пор не решена, несмотря на ее актуальность. Целью настоящей работы была адаптация методов, представленных в системе ANDSystem, для автоматического извлечения знаний по растениеводству и создание на этой основе базы знаний SOLANUM TUBEROSUM, содержащей информацию по генетике, маркерам, селекции, семеноводству, диагностике возбудителей заболеваний, средствам защиты и технологиям хранения картофеля. Онтология базы знаний включает данные словарей более чем по 20 типам объектов (молекулярно-генетические объекты - белки, гены, метаболиты, микроРНК, биологические процессы, биомаркеры и др.; сорта картофеля и их фенотипические признаки; болезни и вредители картофеля; биотические и абиотические факторы окружающей среды; агробиотехнологии возделывания, биотехнологии переработки и хранения картофеля и др.). Описание отношений между этими объектами, включая молекулярные, регуляторные и ассоциативные взаимодействия, содержит более 25 типов связей. Для извлечения информации о взаимодействиях в сумме создано более 5 тыс. семантических шаблонов. Значения точности и полноты извлечения знаний с помощью разработанных правил, оценка которых осуществлялась с привлечением экспертного ручного анализа выборок текстов, составили соответственно более 65 % и 70 %. На основе разработанных подходов предполагается создание полномасштабной версии базы знаний SOLANUM TUBEROSUM.
Бесплатно
Синтез антоцианов у картофеля (Solanum tuberosum L.): генетические маркеры для направленного отбора
Статья обзорная
Антоциановые пигменты могут синтезироваться в кожуре и мякоти клубней картофеля. Кроме того, окрашенными могут быть цветки, листья, стебли и глазки. Эти соединения фенольной природы защищают фотосинтетический аппарат растительной клетки, нейтрализуют свободные радикалы, повышают эффективность усвоения фосфора и азота, обладают осморегулирующей функцией, антимикробной активностью и многими другими свойствами, позволяющими растениям адаптироваться к неблагоприятным условиям окружающей среды. Обсуждается роль антоцианов, поступающих с растительной пищей, в профилактике сахарного диабета II типа, сердечно-сосудистых и инфекционных заболеваний. У картофеля Solanum tuberosum L. как важной продовольственной культуры содержание антоцианов целесообразно повышать в съедобной части растения - мякоти клубней. В окрашенных клубнях этот показатель сопоставим с таковым у черники, ежевики, клюквы и красного винограда, он не меняется (либо незначительно снижается) после кулинарной обработки, а также при длительном хранении картофеля. Повышение эффективности программ селекции по признакам окраски мякоти клубня (красная и фиолетовая) в настоящее время связывают с разработкой ДНК-маркеров целевых генов биосинтеза антоцианов на основе применения ПЦР-анализа. Цель настоящего обзора - проанализировать сведения о генах, регулирующих биосинтез антоцианов у картофеля, и оценить возможность разработки ДНК-маркеров, позволяющих предсказывать характер окраски мякоти до начала клубнеобразования (на ранних этапах онтогенеза растений). Известно, что в генетическом контроле биосинтеза антоцианов участвуют структурные гены ферментов халконсинтазы (CHS), халконфлаванонизомеразы (CHI), дигидрофлавонол-4-редуктазы (DFR), флаванон-3-гидроксилазы (F3H), флавоноид-3´-гидроксилазы (F3´H), флавоноид-3´,5´-гидроксилазы (F3´5´H) и антоцианидинсинтазы (ANS). Синтезируясь в цитозоле, они далее транспортируются к вакуолям клетки. Активация биосинтеза контролируется комплексом транскрипционных факторов MBW (MYB, bHLH и WD40), который связывается с промоторами генов перечисленных выше ферментов. У картофеля идентифицированы несколько генов, кодирующих транскрипционный фактор MYB, из них с антоциановой пигментацией ассоциирован StAN1. Этот ген связывают с локусом D, ранее обнаруженным с помощью классического генетического анализа и картированным в 10-й хромосоме. Гены, кодирующие факторы bHLH ( StJAF13 и StbHLH1 ) и WD40 ( StWD40 ), были выявлены только по гомологии с аналогичными генами других растений, но не с помощью генетического анализа (вероятно, в силу отсутствия аллельного разнообразия). Считается, что StAN1 - основной ген, определяющий изменчивость картофеля по признакам окраски. Описаны варианты его аллелей, и показана связь разных вариантов с эффективностью биосинтеза антоцианов. Аллели StAN1 можно дифференцировать по длине фрагментов при ПЦР-амплификации, что позволяет конструировать удобные диагностические маркеры для селекции. В редких случаях отсутствие антоцианов может быть обусловлено мутацией структурного гена, в литературе это описано для локуса R, кодирующего фермент DFR. Мутация по другому структурному гену - StF3 ´ 5 ´ H (локус P ) нарушает биосинтез антоцианов лишь частично, затрагивая только синие и фиолетовые, но не красные пигменты. Это делает StF3'5'H привлекательной мишенью при использовании молекулярных маркеров для идентификации генотипов с разной окраской мякоти клубня (фиолетовая или красная). Таким образом, основными мишенями для селекции на получение форм картофеля, синтезирующих антоцианы, в настоящее время считаются два гена - StAN1 и StF3 ´ 5 ´ H.
Бесплатно
Статья научная
Картофель ( Solanum tuberosum L.) поражают около 40 видов вирусов, из них одним из самых вредоносных является Y-вирус картофеля (Potato virus Y, PVY). У восприимчивых к PVY сортов потери урожая могут достигать 80 %. На современном этапе для создания высокоустойчивых к PVY форм широко применяется метод маркер-опосредованной селекции (marker-assisted selection, MAS), что повышает эффективность селекционного процесса, а также позволяет оценить генетическую защищенность или уязвимость сортового генофонда. У картофеля идентифицирован ряд генов, вовлеченных в контроль разных типов устойчивости к PVY, из них Ry гены, обусловливающие отсутствие накопления вирусных частиц в инфицированном растении независимо от штамма вируса, наиболее часто вовлекаются в селекционные программы в разных странах. В задачу нашей работы входил скрининг 178 сортов отечественной селекции по трем маркерам - STM0003, Ry364, RYSC3, сцепленным с генами Rysto , Rychc и Ryadg , которые были перенесены в селекционный генофонд от диких видов S. stoloniferum и S. chacoense , а также от андийских аборигенных сортов S. tuberosum ssp. andigenum . Для скрининга обширной выборки сортов отечественной селекции маркеры STM0003 и Ry364 привлечены впервые. В результате проведенного нами молекулярного скрининга в выборке из 178 сортов отобрано 39 (21,8 %), у которых выявлены диагностические фрагменты как минимум одного из трех маркеров: у 7,3 % сортов имеется маркер STM0003 гена Rysto , у 11,7 % - маркер Ry364 гена Rychc и у 4,5 % - маркер RYSC3 гена Ryadg . Полученные результаты указывают на невысокую генетическую защищенность изученной выборки от PVY: 78,2 % из 178 сортов не имели ни одного из маркеров, сцепленных с Ry генами устойчивости к этому вирусу. Результаты молекулярного скрининга были сопоставлены с данными об устойчивости/восприимчивости сортов к PVY, взятыми из научных публикаций. Наибольшей диагностической ценностью обладает маркер STM0003, сцепленный с геном Rysto ; фактически все сорта с этим маркером были высокоустойчивы (иммунны) к PVY, тогда как маркеры Ry364 и RYSC3 оказались не столь эффективны.
Бесплатно
Статья обзорная
Для повышения эффективности селекции картофеля важно, чтобы селекционные линии были мультиплексными (имеющими по два и более доминантных аллеля) по многим хозяйственно ценным генам (прежде всего, генам устойчивости к болезням и вредителям) (J.E. Bradshaw с cоавт., 1994). Мультиплексные родительские линии по нескольким генам устойчивости среди существующих сортов встречаются достаточно редко (А.П. Ермишин с соавт., 2016) и вследствие биологических особенностей культуры картофеля могут быть получены только при отборе на диплоидном уровне. В представляемом обзоре описаны генетические принципы и опыт их практического применения в исследованиях авторов по созданию исходного материала, позволяющего проводить эффективную маркер-опосредованную селекцию родительских линий на диплоидном уровне. Материал включает коллекцию первичных дигаплоидов сортов картофеля, отобранных по жизнеспособности, клубневой продуктивности, культурным признакам и наличию ДНК-маркеров генов устойчивости к болезням и вредителям; диплоидный селекционный материал с широким набором генов устойчивости к фитофторозу и вирусам, интрогрессированных от диких видов с помощью оригинальных методов преодоления межвидовых репродуктивных барьеров; диплоидные линии - доноры генов самосовместимости и высокой мужской фертильности, эффективных как в гетерозиготном, так и гомозиготном состоянии; диплоидные линии - доноры генов образования мужски фертильных FDR (first division restitution) 2 n -гамет. Лучшие диплоидные линии с комплексом генов устойчивости к болезням и вредителям, выделенные по результатам диплоидной селекции (на основе первичных дигаплоидов, межвидовых гибридов и доноров фертильности), используют для получения мультиплексных тетраплоидных родительских линий с помощью митотического удвоения хромосом. С использованием доноров генов образования фертильных FDR 2 n -гамет выводят диплоидные родительские линии, способные к гибридизации с сортами картофеля. Кроме того, созданный диплоидный исходный материал представляет интерес для перспективных альтернативных направлений селекции картофеля с применением отбора на диплоидном уровне: выведения диплоидных сортов картофеля, а также родительских линий для получения размножаемых ботаническими семенами гибридов и гибридных популяций.
Бесплатно
Статья научная
В последние десятилетия большое внимание уделяется наличию фенольных веществ (антоцианов) в картофеле (Solanum tuberosum L.), поскольку эта культура рассматривается как продукт для диетического питания. В России такие сорта созданы для ряда регионов возделывания, но в условиях Дальнего Востока работы по увеличению содержания антоцианов в клубнях картофеля начаты недавно. В представленном исследовании с применением методов жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии второго порядка мы идентифицировали антоцианы и измерили их содержание у сортов картофеля разного происхождения (Россия, Украина, Беларусь, Казахстан, Германия, Нидерланды), которые ранее не были охарактеризованы по этому признаку. Впервые выделены четыре сорта российского происхождения с повышенным содержанием антоцианов для диетического использования. Целью работы было определение профилей антоцианов и их содержания в клубнях в условиях российского Дальнего Востока. В качестве материала использовали 22 сорта, отобранных по раннеспелости, продуктивности, с низким содержанием крахмала, разной окраской клубней и венчика соцветия. Антоциановые профили анализировали методом двойной идентификации: по времени удерживания на обратнофазной колонке С18 с детектированием в диапазоне длин волн 400-700 нм и методом масс-спектрометрии второго порядка в режиме положительной ионизации с последующей фрагментацией ионов. В клубнях изученных сортообразцов выявлены дельфинидин, петунидин, мальвидин, цианидин и пеларгонидин. Дельфинин и цианидин обнаружены в двух формах - в моно- и дигликозилированной. Наиболее распространенным антоцианом оказался петунидин-3-глюкозид, он присутствовал почти во всех исследованных образцах. Установлено, что антоциановый состав клубне изменяется в зависимости от сорта и может включать от одного до пяти антоцианов. Сорта с желтой окраской кожуры и розовыми пятнами на желтой кожуре клубня характеризовались незначительным содержанием антоциановых компонентов. Исследования показали, что розовая и темно-розовая окраска кожуры определяется содержанием в ней пеларгонидин-3-глюкозида. Петунидин-3-гликозид и цианидин-3-глюкозид придавали кожуре фиолетовую и сине-фиолетовую окраску. Среди исследованных сортов наибольшее содержание антоцианов отмечено в сортах Фиолетовый (цианидин-3-глюкозид - 310 мг/кг, мальвидин - 50 мг/кг, дельфинидин - 30 мг/кг), Василек (петунидин-3-глюкозид - 150 мг/кг), Маяк (пеларгонидин - 95 мг/кг) и Кузнечанка (пеларгонидин - 78 мг/кг). В селекции картофеля на повышенное содержание антоцианов рекомендуем использовать сорта с розовой, темно-розовой, фиолетовой и сине-фиолетовой кожурой.
Бесплатно
