Лаборатория ДНК маркеров растений

Хавкин Эмиль Ефимович Заведующий: Э.Е. Хавкин, доктор биол. наук, профессор.
эл. адрес emil@iab.ac.ru; emil.khavkin@gmail.com

Сотрудники лаборатории:


Мария Павловна Бекетова, с.н.с., канд. биол. наук,
Полина Евгеньевна Дробязина, с.н.с., канд. биол. наук,
Екатерина Андреевна Соколова, с.н.с., канд. биол. наук,
Оксана Алексеевна Фадина, с.н.с., канд. биол. наук

Основные направления исследований

  • Создание рабочих коллекций растений, представляющих широкий диапазон геномной и фенотипической изменчивости.
    • В лаборатории исследуются экономически важные культурные формы Solanum (картофель) и Brassica (рапс, сурепица, капуста и др.) и их дикорастущие сородичи, которые служат источником хозяйственно ценных генов в интрогрессивной селекции. Верифицированные образцы Solanum и Brassica получены из международных генетических коллекций или из селекционных учреждений — оригинаторов сортов. Использование клонов Solanum и дигаплоидов Brassica существенно облегчает сопоставление данных о полиморфизме генов и их фенотипических проявлениях. Рабочие коллекции поддерживаются в виде семян Solanum и Brassica, микроклубней Solanum и образцов ДНК.

    Рисунок 1. Увеличить. Рисунок 2. Увеличить.

  • Изучение ключевых генов, определяющих продуктивность сельскохозяйственных растений.
    • Основное внимание уделяется генам, контролирующим переход растений Solanum и Brassica к цветению (хозяйственный признак ранне- или позднеспелости), и генам устойчивости Solanum к фитофторозу (болезнь, вызываемая оомицетом Phytophthora infestans). Для поиска гомологов ключевых генов развития и устойчивости используется метод генов-кандидатов. За последние годы в лаборатории подробно охарактеризован структурный полиморфизм гомологов генов CONSTANS и LEAFY у культурных и дикорастущих форм Solanum (рис. 1 и 2) и Brassica, гена FRIGIDA у растений Brassica (рис. 3) и расоспецифичных R генов устойчивости к P. infestans у растений Solanum (рис. 4). Оказалось, что структурная дивергенция этих генов с образованием независимых локусов предшествовала появлению современных видов Solanum и Brassica. Напротив, аллельный полиморфизм этих генов более позднего происхождения и связан с фенотипическими особенностями развития исследуемых жизненных форм растений или совместной эволюцией растения и патогена.

    Рисунок 3. Увеличить. Рисунок 4. Увеличить.

  • Создание и верификация ДНК маркеров хозяйственно ценных генов и признаков и маркеров видов и геномов Brassica и Solanum
    • Эффективность интрогрессивной селекции возрастает при использовании ДНК маркеров генов, контролирующих селекционно-ценные признаки, и маркеров генетического материала видов, используемых как источники этих генов. Создание маркеров генов основано на сравнительном анализе генов-кандидатов. Для конструирования геном- или видоспецифичных маркеров сопоставляют гомологичные участки геномов культурных и дикорастущих видов одного рода, клонированные в нашей лаборатории или найденные в базах генетических данных. Каждый вновь созданный маркер верифицируется секвенированием, а затем проходит испытание путем скрининга большого количества образцов вида, для которого создан маркер, и видов, которые не должны его содержать. Конечным результатом такой работы является создание серии независимых друг от друга SCAR маркеров к известным участкам генома (sequence characterized amplified region). Благодаря простоте и однозначной интерпретации результатов анализа, SCAR маркеры особенно удобны для селекционеров.

    Рисунок 5. Увеличить. Рисунок 6. Увеличить.

    На основе полиморфных транслируемых и нетранслируемых последовательностей геномов Solanum создана и испытана серия SCAR маркеров R генов устойчивости к фитофторозу и маркеров генетического материала дикорастущих видов Solanum, которые вовлекаются в процесс селекции картофеля (рис. 5). Такие маркеры надежно отличают культурный картофель от дикорастущих видов Solanum. Созданы SCAR маркеры геномов клубненосных Solanum на основе анонимных повторяющихся последовательностей и последовательностей низкокопийных генов; например, интрона 2 гена LEAFY и генов COS II (рис. 6).
    Те же подходы использованы для создания набора SCAR маркеров, различающих геномы A, B и C видов Brassica (рис. 7). С помощью маркеров генома В была подтверждена модель раннего разделения Brassiceae на линии геномов B и A/C с последующей независимой эволюцией (рис. 8).

    Рисунок 7. Увеличить. Рисунок 8. Увеличить.

  • Практическое применение SCAR маркеров генов и геномов Solanum и Brassica.
    • Специфичные SCAR маркеры генов, геномов и видов Solanum и Brassica позволяют решать многие проблемы сравнительной геномики и филогении растений и могут быть использованы в селекции для скрининга расщепляющихся популяций, проверки подлинности образцов и защиты авторских прав селекционеров. SCAR маркеры хозяйственно ценных генов служат инструментом для поиска новых генов в генетических коллекциях (рис. 9). Так, для создания долговременной устойчивости к фитофторозу необходимо пирамидировать в одном сорте картофеля несколько R генов, обеспечивающих широкий спектр расовой специфичности. Для этого нужны маркеры, которые служат индикаторами устойчивости. Мы показали значимую связь между присутствием SCAR маркеров R генов и высокой устойчивостью дикорастущих и культурных форм картофеля к фитофторозу (рис. 10). Лаборатория участвовала в получении патента на селекционное достижение (№ 6292, сорт картофеля «Вектор») и патента «Способ отбора гибридов картофеля с высокой полевой устойчивостью к фитофторозу», RU № 2560725). Междисциплинарное исследование сложных межвидовых гибридов картофеля (совместно с ВИР и ВНИИФ) позволило предложить принципиально новый подход к созданию сортов картофеля, устойчивых к фитофторозу: упреждающую селекцию, основанную на пуле детально охарактеризованных доноров, несущих большой набор генов устойчивости с широким спектром специфичности и другие хозяйственно ценные гены.

    Рисунок 9. Увеличить. Рисунок 10. Увеличить.

    Проекты и гранты 2011-2017 гг.

    Проект РФФИ 09-04-00606 «Ключевые гены, регулирующие переход к цветению у растений Brassica и Solanum», 2009-2011 гг.
    Проект РФФИ 13-04-00163 «Эволюция NBS-LRR генов устойчивости к фитофторозу у клубненосных видов Solanum», 2013-2015 гг.
    Проект 14-04-31613 «Эволюция взаимоотношений растения и патогена: полиморфизм генов эффекторов возбудителя фитофтороза картофеля Phytophthora infestans», 2014-2015 гг.
    Проект 16-04-00098 «Молекулярно-генетический анализ взаимодействия растений с патогенами (на примере фитофтороза картофеля)», 2016-2018 гг.
    Проект 16-34-01371 «Эволюция гена FRIGIDA, контролирующего переход к цветению растений семейства Brassicaceae», 2016-2017 гг.
    Партнерский проект МНТЦ — Службы сельскохозяйственных исследований Мин. земледелия США (ISTC- USDA-ARS #3714) «ДНК маркеры генов устойчивости к фитофторозу картофеля», 2007-2013 гг.
    Госконтракт Минобрнауки № 16.М04.12.0007 по теме: «Создание и апробация ДНК-маркеров устойчивости картофеля к фитофторозу», шифр «2011-16-МЦП/15», 2011-2013 гг.

    Избранные публикации лаборатории

    Дробязина П.Е., Хавкин Э.Е.. Дифференциальная экспрессия двух CONSTANS-LIKE генов у картофеля. Физиол. растений, 2009, 56: 291–294.

    Соколова Е.А. и др. ДНК маркеры генов R1 и R3 как предикторы устойчивости к фитофторозу картофеля. Докл. РАСХН, 2010, № 5: 12-15.

    Drobyazina P.E., Khavkin E.E. The structure of two CONSTANS-LIKE1 genes in potato and its wild relatives. Gene, 2011, 471, 37–44.

    Pankin A.A, Khavkin E.E. Genome-specific SCAR markers help solve taxonomy issues: A case study with Sinapis arvensis (Brassiceae, Brassicaceae). Am. J. Bot., 2011, 98:e54-57.

    Pankin A. et al. Allele mining in the gene pool of wild Solanum species for homologues of late blight resistance gene RB/Rpi-blb1. Plant Genet. Resources, 2011, 9, 305-308.

    Sokolova E. et al. SCAR markers of the R-genes and germplasm of wild Solanum species for breeding late blight-resistant potato cultivars. Plant Genet. Resources, 2011, 9, 309-312.

    Хавкин Э.Е. Устойчивость картофеля к фитофторозу глазами молекулярного биотехнолога. В кн.: Харченко П.Н. (ред.) Проблемы агробиотехнологии, М.: ВНИИСБ, с. 69-92, 2012.

    Fadina O.A. et al. Molecular characterization of the flowering time gene FRIGIDA in Brassica genomes A and C genomes A and C. Физиол. растений, 2013, 60: 277-287.

    Фадина О.А., Хавкин Э.Е. Ген вернализации FRIGIDA у культурных видов Brassica. Физиол. растений, 2014, 61, 334-342.

    Beketova M.P. et al. On molecular identification of Phytophthora infestans genotypes. Russ. Agr. Sci., 2014, 40, 435-438.

    Хавкин Э.Е. Фитофтороз картофеля как модель коэволюции в системе патоген - растение-хозяин. Физиол. растений, 2015, 62, 439-451.

    Рогозина Е.В. и др. Каталог мировой коллекции ВИР. Выпуск 816. Клоновая коллекция диких видов картофеля. С. Петербург. 2015. 46 с.

    Beketova M. et al. Two orthologues of late blight resistance gene R1 in wild Solanum species and derived potato varieties and hybrids. In: Schepers H.T.A.M. (ed.). PPO-Special Report, Wageningen, DLO Foundation, 2015, no. 17, 213-220.

    Fadina O.A. et al. Marker profiles of late blight resistance genes in complex interspecific potato hybrids. In: Schepers H.T.A.M. (ed.). PPO-Special Report, Wageningen, DLO Foundation, 2015, no.17, 195-201.

    Sokolova E.A. et al. Virulence and aggressiveness of new Phytophthora infestans isolates collected in North-Western Russia as related to host plant resistance. In: Schepers H.T.A.M. (ed.). PPO-Special Report, Wageningen, DLO Foundation, 2015, no. 17, 229-235.

    Кузнецова М.А. и др. Фитопатологическая и молекулярная характеристика изолятов Phytophthora infestans, собранных с устойчивых и восприимчивых генотипов картофеля. Микология и фитопатология, 2016, 50, 175-184.

    Соколова Е.А. и др. Молекулярный анализ полиморфизма рас-дифференциаторов Phytophthora infestans. Сельскохозяйственная биология, 2016, 51, 376-384.

    Рогозина Е.В., Хавкин Э.Е. Межвидовые гибриды картофеля как доно¬ры долговременной устойчивости к патогенам. Вавиловский журнал генетики и селекции, 2017, 21, 30-41.

    Фадина О.А. и др. Упреждающая селекция: использование молекулярных маркеров при создании доноров устойчивости картофеля (Solanum tuberosum l.) к фитофторозу на основе сложных межвидовых гибридов. Сельскохозяйственная биология, 2017, 52, 00-00.

Партнеры


























События