CC BY
13
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Малахова Алла Александровна, научный сотрудник «Центр селекции и семеноводства» Волгоградского государственного аграрного университета (РФ, 400002, г. Волгоград, пр. Университетский д. 26), кандидат сельскохозяйственных наук, [email protected]
Балашов Василий Андреевич, магистр агротехнологического факультета, ФГБОУ ВО Волгоградский государственный аграрный университет (РФ, 400002, г. Волгоград, пр. Университетский, д. 26).
DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-03 ANALYSIS OF THE PRESENCE OF THE GENOMES OF WOOD AND SHRUBS PLANTS USED IN AGRO-FOREST-MELIORATION IN THE SOUTHERN REGIONS OF RUSSIA
A. I. Belyaev, P. A. Krylov, A. M. Pugacheva, L. V. Derevshikova
Federal Scientific Centre of Agroecology Complex Meliorations and Protective Afforestation,
Russian Academy of Sciences, Volgograd
Received 17.01.2023 Submitted 11.05.2023
The research was carried out within the framework of the state task Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation No. FNFE-2022-0022 "Search and management of patterns of expression offorest and cultural plant genes responsible for adaptation to environmental hazards
and productivity".
Summary
The article presents the results of estimation of presence of annotated genomes of woody and shrub plants used in agroforestry of dry zone of Russia. The study showed that about 30% of the genomes of tree and shrub plants used in agroforestry were annotated. Due the absence of annotated genomes, it is difficult to study plant adaptation unfavorable factors to environmental, such as drought and high soil salinity.
Abstract
Introduction. Molecular genetic mechanisms play a key role in ensuring the formation of useful and adaptive features of woody and shrub plants used in agroforestry of the territories of the South of Russia. A thorough study of the mechanisms of adaptation at the molecular and genetic level will allow in the future to identify or obtain arboreal plants with characteristics of economically valuable traits. The complete or partial lack of information on genome structure makes it difficult to find new DNA markers for tree shrubs and for genes and their expression in response to various adverse factors such as drought and high soil salinity. Object. Research is underway on tree -shrubs used in agroforestry where there is a partial or missing annotated genome. Materials and methods. An order to determine the presence of an annotated genome of woody and shrubby, a search was conducted in open-access database Genome (NCBI, USA), Phyto-zome13 (Department of Energy's Joint Genome Institute, USA) и KEGG (Kanehisa Laboratories, Japan). Open source data were used to estimate the conditional resistance to drought and high salt concentrations in the soil. Results and conclusion. As a result, the presence of an annotated genome was revealed only in 30% of woody and shrubs used in agroforestry with a conditionally high degree of resistance to drought and a high concentration of salts in the soil. The meta-analysis indicated a complete or partial lack of information on the genome structure of tree shrubs used in agroforestry in southern Russia. This slows the development of molecular selection to create new genotypes with economically valuable characteristics, as well as to study the mechanisms of adaptation to environmental constraints.
Key words: genome, tree and shrub plants, drought resistance, salt resistance, agroforestry.
Citation. Belyaev A.I., Krylov P.A., Pugacheva A.M., Derevschikova L.V. Analysis of the presence of the genomes of wood and shrubs plants used in agro-forest-melioration in the southern regions of Russia. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2023. 2(70). 30-42 (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-03.
Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted.
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
***** ИЗВЕСТИЯ *****
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: № 2 (70) 2023
НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
УДК 575.113
АНАЛИЗ НАЛИЧИЯ ГЕНОМОВ ДРЕВЕСНО-КУСТАРНИКОВЫХ РАСТЕНИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В АГРОЛЕСОМЕЛИОРАЦИИ ЮЖНЫХ РЕГИОНОВ РОССИИ
А. И. Беляев, доктор сельскохозяйственных наук, профессор П. А. Крылов, кандидат биологических наук А. М. Пугачева, кандидат сельскохозяйственных наук Л. В. Деревщикова, лаборант-исследователь
ФГБУН «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук», г. Волгоград
Исследования проведены в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № FNFE-2022-0022 «Поиск и управление паттернами экспрессии генов лесных и культурных растений, отвечающих за адаптацию к неблагоприятным факторам внешней среды и продуктивность».
Дата поступления в редакцию 17.01.2023 Дата принятия к печати 11.05.2023
Актуальность. Молекулярно-генетические механизмы играют ключевую роль в обеспечении формирования хозяйственно-ценных и адаптационных признаков древесно-кустарниковых растений, используемых в агролесомелиорации территорий Юга России. Углубленное изучение адаптационных механизмов на молекулярно-генетическом уровне в перспективе позволит выявить или получить древесно-кустарниковые растения, обладающие хозяйственно-ценными признаками. Полное или частичное отсутствие информации о структуре генома затрудняет поиск новых ДНК-маркеров древесно-кустарниковых растений, а также генов и их экспрессию в ответ на различные неблагоприятные факторы, такие как засуха и высокая засоленность почв. Объект. Объектом исследований являются древесно-кустарниковые растения, используемые в агролесомелиорации, у которых частично или полностью отсутствует аннотированный геном. Материалы и методы. Для определения наличия аннотированного генома древесно-кустарниковых растений был произведен поиск в базах данных открытого доступа Genome (NCBI, США), Phytozome13 (Department of Energy's Joint Genome Institute, США) и KEGG (Kanehisa Laboratories, Япония). Данные из открытых источников были использованы для оценки условной степени устойчивости к засухе и высоким концентрациям солей в почве. Результаты и выводы. В результате было выявлено наличие аннотированного генома только у 30 % древесно-кустарниковых растений, используемых в агролесомелиорации, имеющих условно высокую степень устойчивости к засухе и высокой концентрации солей в почве. Проведенный мета-анализ показал полное или частичное отсутствие информации о структуре геномов древесно-кустарниковых растений, используемых в агролесомелиорации Юга России. Это замедляет развитие молекулярной селекции по созданию новых генотипов, обладающих хозяйственно-ценными признаками, а также для изучения механизмов адаптации к стрессовым факторам внешней среды.
Ключевые слова: геномы растений, древесно-кустарниковые растения, засухоустойчивость кустарников, солеустойчивость растений, агролесомелиорация.
Цитирование. Беляев А. И., Крылов П. А., Пугачева А. М., Деревщикова Л. В. Анализ наличия геномов древесно-кустарниковых растений, используемых в агролесомелиорации южных регионов России. Известия НВ АУК. 2023. 2(70). 30-42. DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-03.
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении или анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились с представленным окончательным вариантом и одобрили его.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
31
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Введение. Новый технологический рывок в области изучения молекулярно-генетических механизмов, участвующих в формировании фенотипических признаков живых организмов, был осуществлен в XXI веке и был вызван появлением технологий высокопроизводительного секвенирования второго поколения (NGS) [30, 47], которое по сравнению с первым поколением позволяло секвенировать более длинные участки с большей точностью [20]. В основе первого поколения был заложен метод Сенгера [50]. Первой технологией NGS стало массово-параллельное сигнатурное секвенирование (MMPS) [46], технологии второго поколения позволили получить высокую точность, а в настоящее время идет разработка технологий третьего поколения, позволяющих получать длинные фрагменты генома и существенно снизить себестоимость анализа образцов [60]. Еще одним преимуществом секвенаторов третьего поколения является то, что за счет длинных фрагментов проще собирать полный геном растений, нежели с использованием технологий NGS [56]. Развитие этих технологий позволяет быстрее се-квенировать полные геномы растений и выявлять одиночные или группы генов, связанных с хозяйственно-ценными признаками или отвечающих за фенотипические признаки (форма кроны, листа и т. д.), являющиеся значимыми для классической селекции и получения гибридов, применяемых в агролесомелиорации [5, 42].
Первый геном был секвенирован на представителе травянистых растений -Arabidopsis thaliana [31] в период с 1996 по 2000 год. Секвенирование первой сельскохозяйственной культуры - риса (Oryza sativa L.) - заняло 6 лет [55]. Первый геном древесного растения был получен у тополя Populus trichocarpa в 2006 году, но с развитием технологий секвенирования последняя версия полного генома была получена только в 2015 году [54]. Сложность секвенирования геномов древесно-кустарниковых растений может быть вызвана вариацией длин самого генома, а также полиплоидией [36].
Согласно открытым базам данных Genome (NCBI) и Phytozome13 (Department of Energy's Joint Genome Institute), где представлены полные последовательности се-квенированных геномов, практически отсутствуют геномы древесно-кустарниковых растений, в то время как сельскохозяйственные растения широко представлены в базах данных. Стоит отметить, что древесно-кустарниковые растения являются основой лесомелиорации и обеспечивают защиту культурных растений от неблагоприятных факторов, также эти растения являются основным средством в борьбе с опустыниванием [11, 13, 15].
Изучение геномов древесно-кустарниковых растений имеет важное фундаментальное значение, так как без информации о структуре и эволюционных изменениях в их геномах не представляется возможным управление молекулярно-генетическими механизмами для получения новых хозяйственно-ценных признаков. В частности, механизмов адаптации к неблагоприятным факторам внешней среды - засухе и высокой засоленности почв.
Целью наших исследований стало проведение анализа изученности геномов древесно-кустарниковых растений, обладающих засухо- и солеустойчивостью, используемых в агролесомелиорации на территории аридных зон России.
Материалы и методы. Объектом исследований являются виды древесно-кустарниковых растений, применяемых в агролесомелиорации, имеющих или нет, частично или полностью аннотированный геном (хромосомный или митохондриаль-ный/пластидный).
Виды древесно-кустарниковых растений были взяты из программы организации лесосеменной базы для защитного лесоразведения на территории Юга России [11]: Республики Адыгее, Астраханской области, Волгоградской области, Республики Кал-
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
мыкии, Краснодарского края и Ростовской области. Для определения наличия аннотированного генома древесно-кустарниковых растений был произведен поиск в базах данных открытого доступа Genome (NCBI, США) [48], Phytozome13 (Department of Energy's Joint Genome Institute, США) [51] и KEGG (Kanehisa Laboratories, Япония) [44]. Отбор производился по следующим критериям: жизненной форме - древесные или кустарниковое растение, наличие или отсутствие аннотированного хромосомного или пластидного геномов. Для оценки условной степени устойчивости к засухе и высоким концентрациям солей в почве брались данные из справочников и рекомендаций Российской академии сельскохозяйственных наук, разработанных коллективами ученых из ФНЦ агроэкологии РАН, открытых источников и статей, доступных в базе данных PubMedCentral (NCBI, США) [49]. Поиск статей осуществлялся с использованием синонимических конструктов [("plants" OR "organism") AND "salt"[All Fields]) AND resistant [All Fields] OR "droughts"[All Fields] AND resistance [All Fields] AND arid [All Fields] AND zone [All Fields])]. В пункте "organism" указывалось исследуемое растение на английском/латинском языке.
Анализ динамики получения аннотированных геномов растений, разделенных по их жизненной форме: древесные, кустарниковые и травянистые, производился на основе даты записей в открытых базах данных Genome (NCBI, США) и Phytozome13, (Department of Energy's Joint Genome Institute, США) с 2006 по 2022 год. Для построения графика была использована программа Statistica 12.0 (StatSoft Inc., США).
Результаты и обсуждение. В результате анализа базы данных Genome (NCBI) и Phytozome13, (Department of Energy's Joint Genome Institute) было обнаружено 829 аннотированных геномов растений. Аннотированные геномы были описаны у сельскохозяйственных растений - 638 вида и древесно-кустарниковых растений - 191 вида. Это свидетельствует о том, что секвенирование сельскохозяйственных растений является приоритетным направлением, так как напрямую связано с продовольственной безопасностью.
Нами были проанализированы древесно-кустарниковые растения, которые уже используются в агролесомелиорации на территориях Юга России аридной зоны, включающие степи, сухие степи и полупустыни. Было определено, какие виды дре-весно-кустарниковых растений имеют аннотированный хромосомный или пластид-ный геномы, после чего была оценена примерная устойчивость к засухе и засоленности почвы (таблица 1).
Было выявлено, что у десяти из 17 видов древесных растений, используемых в агролесомелиоративных целях, секвенирован хромосомный геном, при этом пластид-ный только у девяти из 17 видов. Геномы исследуемых растений были секвенированы и аннотированы в период с 2006 (Тополь) по 2022 (дуб черешчатый). Стоит отметить, что среди главных или основных древесных растений Юга России, применяемых в защитных полосах секвенировано больше половины (6 из 11), как и сопутствующих (4 из 6). Это демонстрирует то, что ряд главных древесных растений до сих пор не секвениро-ван, но они являются перспективными, так как являются быстрорастущими и обладают высокой распространённостью и высокой устойчивостью к неблагоприятным факторам и могут произрастать в степях, сухих степях и полупустынях, например Робиния псевдоакация, Вязы и их гибриды и Гледичия. Среди сопутствующих древесных растений большая часть секвенирована, так как их представители в большинстве случаев являются плодово-ягодными или уже давно изученными, например, Клен остролистный. Согласно данным из открытых источников, высокой устойчивостью к засухе обладают шесть видов древесных растений, при этом хромосомный геном секвенирован только у трех из них.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Таблица 1 - Состояние изученности геномов и условной устойчивости к абиотическим факторам внешней среды древесных растений, используемых в агролесомелиорации по [11]
Table 1 - State of knowledge of genomes and conditional resistance to abiotic environmental
factors of woods plants, usee in agroforestry for [11]
Виды дерева/кустарника Зона Геном Геном (пла- Устойчивость
(хромосомный) стидный) Засуха Соли
Главные (основные)
Дуб черешчатый Робиния псевдоакация Степь, сухая степь Степь, сухая степь, есть нет есть есть ++ ++ ++ +
Орех грецкий полупустыня Степь есть есть ++ +
Тополь волосистоплод- Степь, сухая степь, есть есть +++ ++
ный Ива полупустыня Степь, сухая степь, есть есть + ++
Сосна крымская Сосна обыкновенная полупустыня Степь, сухая степь Степь, сухая степь нет нет нет нет +++ ++ +
Гледичия трехколючковая Степь, сухая степь, нет нет +++ +
Ясень обыкновенный полупустыня Степь, сухая степь, есть есть ++ -
Ясень ланцетный полупустыня Степь, сухая степь, есть нет ++ +
Вяз и его гибриды полупустыня Сухая степь, полупустыня нет нет +++ +
Сопутствующие
Груша Степь, сухая степь, есть нет ++ ++
Яблоня лесная полупустыня Степь, сухая степь есть есть + +
Липа мелколистная Степь нет есть ++ +
Клен остролистный Степь, сухая степь, есть есть +++ ++
Абрикос полупустыня Степь, сухая степь, нет нет ++ ++
Шелковица полупустыня Степь, сухая степь, полупустыня есть нет +++ ++
Наименьшей устойчивостью к засухе обладают Ива, Яблоня лесная и Липа мелколистная, но при этом геном Ивы (2016 г.) и Яблони лесной (2010 г.) был секвениро-ван. Все виды древесных растений, представленных в таблице, не обладают высокой степенью устойчивости к засоленным почвам, а преимущественно умеренную - 41 % видов, 47 % - низкую и у 12 % устойчивость отсутствует.
Дуб черешчатый, Робиния псевдоакация, Гледичия трехколючковая в 2022-2023 годах являются перспективными растениями, используемыми в агролесомелиорации в южных регионах РФ [24]. При отборе растений учитывались характерные признаки: засухоустойчнвость и солеустойчевость. Полностью секвенированный геном Дуба че-решчатого позволяет лучше понять механизмы адаптации к засушливым условиям и засоленным почвам, также сохранить и передать свои ценные признаки новым поколениям. [12, 37, 57] Робиния псевдоакация является засухо- и солеустойчевым деревом, ее используют для формирования агролесомелиоративных полос и для озеленения местности, так как данное дерево является неприхотливым и хорошо растущим растением
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
[32]. Секвенирование ее генома имеет большое значение для изучения механизмов адаптации к неблагоприятным факторам. Первым шагом было секвенирование хлоро-пластного генома [27, 34]. Засухоустойчивые с оригинальной ажурной кроной представители рода Gleditsia - привлекательные древесные виды для задач защитного лесоразведения и озеленения населенных пунктов, включая районы с солонцеватыми почвами. Рациональное применение интродуцента в технологиях обогащения возможно при учете его эколого-биологических особенностей в возрастных этапах [16, 17, 58].
В связи с этим у ряда древесных растений отсутствие секвенированного генома не позволит полностью проводить исследования, направленные на изучение молеку-лярно-генетических механизмов адаптации к неблагоприятным факторам внешней среды. Немаловажным является то, что без секвенированного генома значительно затрудняется поиск специфических ДНК-маркеров, связанных с хозяйственно-ценными признаками для защитного лесоразведения.
После анализа кустарниковых растений (таблица 2), используемых в агролесомелиорации Юга России, было обнаружено, что хромосомный геном секвенирован только у трех видов Лещины, Вишни степной и Шиповника, при этом у первых двух растений отсутствует аннотированный пластидный геном. Кустарники Карагана древовидная и Аморфа, согласно проанализированным базам данных о геномах растений, имели только аннотированный пластидный геном. Стоит отметить, что интерес к изучению геномов кустарников, не являющихся сельскохозяйственными растениями незначителен, так как в сравнении с древесными число аннотированных хромосомных геномов у них в три раза меньше.
Таблица 2 - Состояние изученности геномов и условной устойчивости к абиотическим факторам внешней среды кустарников, используемых в агролесомелиорации по [11]
Table 2 - State of knowledge of genomes and conditional resistance to abiotic environmental factors
of shrub plants, used in agroforestry for [1 1]
Виды дерева/кустарника Зона Геном (хромосомный) Геном (пла-стидный) Устойчивость
Засуха Соли
Ирга Степь, сухая степь нет нет +++ ++
Лещина Степь есть нет +++ ++
Облепиха Степь, сухая степь нет нет +++ ++
Смородина золо- Степь, сухая степь, полупу- нет нет +++ +++
тистая стыня
Скумпия Степь, сухая степь, полупу- нет нет +++ ++
стыня нет нет ++ ++
Ивы кустарнико- Степь, сухая степь нет нет ++ ++
вые
Алыча Степь нет нет +++ ++
Вишня степная Степь есть нет +++ ++
Карагана древо- Сухая степь, полупустыня нет есть +++ ++
видная +++ ++
Аморфа Сухая степь, полупустыня нет нет +++ ++
Жимолость Степь, сухая степь нет нет +++ ++
Джузгун Пустыня, полупустыня нет нет +++ ++
Лох Сухая степь, полупустыни нет нет +++ ++
Тамарикс Сухая степь, полупустыня, нет нет ++ ++
пустыня
Шиповник Степь есть есть ++ ++
Боярышник Степь, сухая степь, полупу- нет есть ++ ++
стыня
Примечание - +++ - высокая, ++ - умеренная, + - слабая устойчивость, - отсутствие устойчивости.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Высокой устойчивостью к засухе обладают 13 видов кустарниковых растений из 16, но только у Лешины и Степной вишни аннотирован геном. В сравнении с древесными у кустарниковых растений в 1.5 раза больше видов с высокой степенью устойчивости к засухе, в то время как низкая устойчивость у кустарниковых растений вообще отсутствует. Было обнаружено, что высокой солеустойчивостью, как и высокой засухоустойчивостью обладает Смородина золотистая, но хромосомный и пластидный геномы у данного вида не секвенированы. Девяносто процентов кустарниковых растений, используемых в агролесомелиорации, имеют умеренную устойчивость к засоленности почв. Среди кустарников перспективными видами для агролесомелиорации, которые необходимо секвенировать, можно выделить Смородину Золотистую [6], Карагану древовидную. Кустарники Тамарикс и Джузгун. Они хорошо растут в пустынях и полупустынях, обеспечивая задержку подвижных песков, и являются одними из основных пород кустарников, используемых для борьбы с опустыниванием [2, 3, 4, 19, 41]. Карага-на древовидная используется в рекультивации для предотвращения ветровой эрозии почв и восстановлении теологически пострадавших земель [8].
Анализ баз данных геномов позволил нам выявить еще ряд видов древесных растений, у которых есть аннотированный хромосомный и пластидный геном, и они обладают устойчивостью к засухе и высокой концентрации солей, но они почти не используются в агролесомелиорации территорий Юга России (таблица 3).
В результате у четырех видов древесных растений была выявлена устойчивость к засухе и засоленности почв. Среди древесных растений высокой устойчивостью к засухе обладал Зизифус [14], остальные растения обладали умеренной устойчивостью [10, 28], с низкой выявлено не было. Растений, обладающих высокой устойчивостью к высокой концентрации солей в почве, обнаружено не было, в то время как отмечается умеренная устойчивость. Данные виды древесных растений могут быть использованы в защитном лесоразведении и производстве продовольствия только Южных регионов Российской Федерации, потому что они обладают низкой или умеренной морозостойкостью: пекан [18], Яблоня домашняя [21, 25, 28], Персик [1, 10], Зизифус [14].
Таблица 3 - Древесные растения, имеющие аннотированный геном и обладающие устойчивостью к абиотическим факторов внешней среды, но редко используемые в агролесомелиорации
Table 3 - Woody with an annotated genome and resistant to abiotic environmental factors
Виды дерева/кустарника Устойчивость
Засуха Соли
Древесные
Яблоня домашняя Персик Пекан Зизифус ++ ++ ++ +++ ++ ++ ++ ++
Примечание - +++ - высокая, ++ - умеренная, + - слабая устойчивость, - отсутствие устойчивости.
Большая часть древесно-кустарниковых растений, обладающих высокими показателями засухоустойчивости или солеустойчивости, используемых в агролесомелиорации территорий субгумидной, субаридной и аридной зон, не имеет аннотированных геномов, например древесные: Вяз, Гледичия, Крымская сосна, Робиния [23, 39], кустарниковые: Джузгун, Скумпия, Смородина золотистая, различные виды Жимолости и Лоха [7, 9, 22, 33, 45]. Среди древесных растений, выявленных по базам данных устойчивых к засухе, Пекан может быть потенциальным объектом для защитного лесоразведения [26]. Это, в свою очередь, вызывает вопрос, с чем связано отсутствие аннотированных геномов растений, которые являются условно лучшими для агролесомелиора-
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ции территорий Юга России? Мы предполагаем, что это может быть связано с тем, что они имеют либо длинный геном или обладают полиплоидей [59, 61], либо находятся в процессе получения [38], как, например, Робиния, которая имеет тетраплоидный набор хромосом, что усложняет секвенирование генома [35]. Обозначения устойчивости к засухе и высоким концентрациям солей были нами поставлены условно, исходя из того, что в литературных источниках имеются противоречивые данные. Например, в лабораторных условиях растения показывают высокие показатели устойчивости [52, 53], а в полевых условиях умеренные или низкие в зависимости от вида или климатических условий конкретной территории [39, 40].
В связи с этим нами была проведена оценка динамики общего количества полногеномных секвенирований растений за 16 лет (рисунок 1.) В результате было выявлено, что основной подъем произошел с 2019 по 2021 годы, когда в год секвенировалось более 50 хромосомных геномов растений, что может быть связано с тем, что технологии NGS начали активно использоваться научным сообществом для получения геномов растений. И что в конечном итоге послужило изучению молекулярно-генетических механизмов растений, отвечающих за хозяйственно-ценные признаки [29, 43].
После этого мы проанализировали, сколько геномов было аннотировано для разных жизненных форм растений древесных, кустарниковых и травянистых (рисунок 2). В период с 2006 по 2011 годы было получено и аннотировано низкое число геномов растений, так как технологии секвенирования только внедрялись и в первую очередь изучали травянистые растений, так как большинство из них являются сельскохозяйственными растениями, используются в пищевой промышленности и играют роль в продовольственной безопасности.
Начиная с 2012 по 2014 наблюдается значительный подъем в секвенировании и аннотировании геномов растений, который почти в 2 раза выше, чем в предшествующий период. У древесных и кустарниковых растений геном изучался у одного-двух видов в год. Начиная с 2015 года вплоть до 2021 число аннотированных геномов травянистых растений увеличивалось почти каждый год по сравнению с предыдущими периодами. Получение и аннотирование генома древесных активно началось с 2017, а кустарниковых - с 2018 по 2021 годы. На рисунке 2 хорошо видно, что в 2022 произошёл спад, который мог быть вызван политико-экономической ситуацией в мире.
X
£ 130
% 120
и 110
I—
160 150 140 130
ш О
20 10 О
со oi с т- см
oooooooooaooooooo
(NC\lCM(M(M<MtMrV(NC\lC\I<MCM(MC4liM(M
О i- w
CM (NT CM
Рисунок 1 - Общее количество полногеномных секвенирований растений за период с 2006 по 2022 годы
Figure 1 - Total number of genome-wide plant sequences from 2006 to 2022
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Рисунок 2 - Число аннотированных геномов древесных, кустарниковых и травянистых
растений в период с 2006 по 2022 годы
Figure 2 - Number of annotated genomes of woody, shrub and herbaceous plants from 2006 to 2022
Результаты, полученные ранее (таблицы 1, 2), согласуются с графиком (рисунок 2), показывающим, что древесные растения представляют больший интерес, чем кустарниковые растения. Это может быть связано с тем, что среди древесных растений большое количество плодово-ягодных, которые используются в сельском хозяйстве. Стоит отметить, что среди всех аннотированных хромосомных и пластидных геномов большинство получено для сельскохозяйственных культур.
Выводы. Результаты проведенных исследований показали, что в настоящее время делается акцент на получение геномов сельскохозяйственных растений для выявления молекулярно-генетических механизмов формирования хозяйственно-полезных признаков. С помощью анализа баз данных было выявлено наличие аннотированных хромосомных геномов у ряда основных древесных растений, таких как Дуб черешча-тый, Ясень обыкновенный и пластидный геном Робинии псевдоакации. У кустарниковых растений хромосомный геном секвенирован у трех видов, которые редко применяются в защитном лесоразведении. Карагана древовидная, Смородина золотистая, Тамарикс и Джузгун являются перспективными объектами для агролесомелиорации, так как они обладают высокой засухоустойчивостью и могут быть использованы для борьбы с опустыниванием. В целом аннотированный хромосомный геном есть у 40 % древесно-кустарниковых растений, используемых в защитном лесоразведении и имеющих устойчивость к засухе и засоленности почв.
Проведенный нами мета-анализ показал, что существует реальная необходимость в секвенировании геномов древесно-кустарниковых растений, используемых в агролесомелиорации территорий Юга России для изучения механизмов адаптации к засухе и засоленности почв на молекулярно-генетическом уровне. Исследования будут направлены на секвенирование главных (основных) древесных растений, используемых в защитном лесоразведении и перспективных кустарников, у которых отсутствует геном, например, Вяз, Робиния, Гледичия и Сосна крымская, а у кустарников - Смородина Золотистая, Карагана, Джузгун и Тамарикс. Выбор способа секвенирования будет зависеть от финансовых возможностей организации, например, среди секвенаторов второго поколения можно рассмотреть платформы иллюмина или MGI, а третьего поколения - нанопор.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Полученные данные помогут в дальнейшем выбрать те или иные перспективные виды древесно-кустарниковых растений для решения задач широкого спектра, начиная от озеленения, фиторемедиации и заканчивая борьбой с опустыниванием южных регионов Юга России. Секвенирование и последующее аннотирование геномов древесно-кустарниковых растений позволят расширить набор инструментов и методов по изучению молекулярно-генетических механизмов адаптации к неблагоприятным факторам внешней среды, а также молекулярной селекции.
Библиографический список
1. Адаптация культуры персика к условиям выращивания на юге России / И. А. Драгав-цева [и др.] // Садоводство и виноградарство. 2014. № 6. С. 35-40.
2. Булахтина Г. К., Кудряшова Н. И., Подопригоров Ю. Н. Влияние кустарниковых защитных полос с использованием Тамарикса многоветвистого (Tamarix Ramosissima Led.) на полупустынную пастбищную экосистему // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2020. № 1 (57). С. 105-113.
3. Быстрова И. В., Смирнова Т. С., Вайчулис Г. В. Экологическое опустынивание земель Юга России // Геология, география и глобальная энергия. 2021. № 3 (82). С. 75-81.
4. Гамидов И. Р., Умаханов М. А., Теймуров С. А. Фитомелиорация Кизлярских пастбищ с использованием джузгуна безлистного (Calligonum aphyllum) // Горное сельское хозяйство. 2018. № 2. С. 29-32.
5. Дмитриев А. А., Пушкова Е. Н., Мельникова Н. В. Секвенирование геномов растений: современные технологии и новые возможности для селекции // Молекулярная биология. 2022. № 56(4). С. 531-545.
6. Иванова Е. А., Мурсалимова Г. Р. Перспективный сорт золотистой смородины // Современное садоводство. 2017. № 4 (24). C. 31-37.
7. Иванова Е. А., Джураева Ф. К., Стародубцева Е. П. Перспективные формы RIBES au-reum PURSH в условиях Южного Урала // БОНЦ УрО РАН. 2016. № 3. С. 5.
8. Карагана древовидная (Caragana arborescens Lam.) Как кустарниковая порода при биологической рекультивации техногенных ландшафтов / Э. И. Трещевская [и др.] // Лесотехнический журнал. 2021. № 3 (43). С. 31-44.
9. Кирпо Н. И., Вдовенко А. В., Лепеско В. В. Эколого-мелиоративная оценка состояния кормовых угодий, закустаренных лохом узколистным в районе Волго-Ахтубинской поймы // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2012. № 3 (27). С. 22-26.
10. Крамаренко Л. А. Интродукция persica vulgaris и P. Vulgaris subsp. Nektarina в Москве, Московской и Владимирской областях // Труды по интродукции и акклиматизации растений. 2021. С. 107-112.
11. Крючков С. Н., Матисс Г. Я. Лесоразведение в засушливых условиях. Волгоград, 2014. 300 с.
12. Кулакова Н. Ю. Почвенные условия на границе ареала дуба черешчатого в южной лесостепи Европейской части России // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. 2018. № 3 (39). С. 16-29.
13. Кулик К. Н. Современное состояние защитных лесонасаждений в Российской Федерации и их роль в смягчении последствий засух и опустынивания земель // Научно-агрономический журнал. 2022. № 3 (118). С. 08-13.
14. Лепеско В. В., Рыбошлыкова Л. П. Интродукция, особенности роста и развития зизифуса (Ziziphus jujuba Mill.) в условиях Астраханского Заволжья и Волго-Ахтубинской поймы // Лесной вестник. Forestry Bulletin. 2022. № 26 (5). С. 23-30.
15. Манаенков А. С. Развитие основ степного и защитного лесоразведения: теоретические, прикладные аспекты и задачи в современных условиях // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. 2016. № 2 (30). С. 5-23.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
16. Мельник К. А., Хужахметова А. Ш. Особенности плодоношения интродуцирован-ных представителей родового комплекса Gleditsia в возрастном аспекте // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2022. № 4 (68). С. 184-193.
17. Мобилизация дендрологических ресурсов и пути сохранения их биоразнообразия в малолесных регионах / А. В. Семенютина, и др. 2021. 288 с.
18. Морозов Д. Е. Адаптационные возможности ореха грецкого к низким температурным условиям на территории России // Селекция и сорторазведение садовых культур. 2020. № 7 (1-2). С. 108-111.
19. Подопригоров Ю. Н., Хюпинин А. А. Выращивание посадочного материала джузгу-на безлистного в Астраханской области // Аграрный научный журнал. 2022. № 7. С. 32-36.
20. Поколения методов секвенирования ДНК (Обзор) / А. Г. Бородинов [и др.] // Научное приборостроение. 2020. № 30 (4). С. 3-20.
21. Раченко М. А., Раченко А. М. Яблоня домашняя в Южном Предбайкалье: формирование дерева как способ повышения зимостойкости // СССК. 2018. № 5 (1). С. 104-107.
22. Савушкина И. Г., Леонов В. В. Перспективные представители семейства Caprifoliaceae A.L. Jussien для озеленения в условиях Предгорного Крыма // Ученые записки Таврического национального университета имени В. И. Вернадского. Серия: Биология, химия. 2009. Т. 22 (61). № 3. С. 130-139.
23. Семенютина А. В., Мельник К. А. Генеративные и репродуктивные качества у таксонов рода Gleditsia в засушливых условиях // Наука. Мысль: электронный периодический журнал. 2021. № 11 (1). С. 88-102.
24. Соломенцева А. С. Состояние древесных растений на объектах защитного лесоразведения и озеленения Калачевского района Волгоградской области // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2022. № 5 (389). С. 58-72.
25. Токарева О. И. Новые сорта яблони, выведенные в ДВ НИИСХ // СССК. 2020. № 7 (1-2). С. 157-160.
26. Хорошев А. В. Мировой опыт применения ландшафтно-географического подхода к планированию устойчивого лесопользования // Устойчивое лесопользование. 2021. № 1 (65). С. 13-20.
27. Эколого-биологические особенности Robinia pseudoacacia, влияющие на приживаемость и рост насаждений в степной зоне / Р. Г. Седой [и др.] // World science: problems and innovations: сборник статей XXXVII Международной научно-практической конференции. 2019. С. 81-83.
28. Юлдашева И. А., Хазраткулов И. А. Морфо-биологические свойства яблока // Интернаука. 2021. № 23-1 (199). С. 101-103.
29. A chromosome-level Amaranthus cruentus genome assembly highlights gene family evolution and biosynthetic gene clusters that may underpin the nutritional value of this traditional crop / X. Ma [et al.] // Plant J. 2021. № 107 (2). P. 613-628.
30. ACMG laboratory quality assurance committee. Next-generation sequencing for constitutional variants in the clinical laboratory 2021 revision: a technical standard of the American College of Medical Genetics and Genomics (ACMG) / C. Rehder [et al.] // Genet Med. 2021. № 23 (8). P. 1399-1415.
31. Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana / The Ara-bidopsis Genome Initiative // Nature. 2000. № 408. P. 796-815.
32. Black locust (Robinia pseudoacacia) beloved and despised: a story of an invasive tree in Central Europe / M. Vitkova [et al.] // For Ecol Manage. 2017. № 384. P. 287-302.
33. Bozena S. Salt-tolerant trees usable for Central European cities - a review // Hort. Sci. (Prague). 2017. № 44 (1). P. 43-48.
34. Comparative analysis of chloroplast genomes of five Robinia species: Genome comparative and evolution analysis / X. Yu [et al.] // Gene. 2019. № 689. P. 141-151.
35. Comparative mitochondrial proteomic, physiological, biochemical and ultrastructural profiling reveal factors underpinning salt tolerance in tetraploid black locust (Robinia pseudoacacia L.) / Q. Luo [et al.] // BMC Genomics. 2017. № 18. e648.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
36. Current strategies of polyploid plant genome sequence assembly / M. Kyriakidou [et al.] // Front. Plant Sci. 2018. № 9. e1660.
37. Decoding the oak genome: public release of sequence data, assembly, annotation and publication strategies / Plomion C [et al.] // Mol Ecol Resour. 2016. № 16 (1). P. 254-265.
38. Development of genomic microsatellites in Gleditsia triacanthos (Fabaceae) using Illumina sequencing / S. A. Owusu [et al.] // Appl Plant Sci. 2013. № 1 (12). e1300050.
39. Effects of salt stress on physiological characters and salt-tolerance of Ulmus pumila in different habitats / B. X. Liu [et al.] // Ying Yong Sheng Tai Xue Bao. 2012. № 23 (6). P. 1481-1489.
40. Effects of salt stress on eco-physiological characteristics in Robinia pseudoacacia based on salt-soil rhizosphere / P. Mao [et al.] // Science of The Total Environment. 2016. № 568. P. 118-123.
41. Establishment of Tamarix ramosissima under different conditions of salinity and water availability: Implications for its management as an invasive species / E. Natale [et al.] // Journal of Arid Environments. 2010. № 74 (11). P. 1399-1407.
42. Gudynaite-Franckeviciene V., Pliüra A. Performance and genetic parameters of poplar hybrids and clones in a field trial are modified by contrasting environmental conditions during the vegetative propagation phase // Plants (Basel). 2022. № 11 (18). e2401.
43. High-quality genome and methylomes illustrate features underlying evolutionary success of oaks / V. L. Sork [et al.] // Nat Commun. 2022. № 13 (1). 2047.
44. KEGG Genome. https://www.kegg.jp/kegg/genome/.
45. Landscape genomics reveal that ecological character determines adaptation: a case study in smoke tree (Cotinus coggygria Scop.) / C. Y. Miao [et al.] // BMC Evol Biol. 2017. № 17 (1). P. 202.
46. Massively parallel signature sequencing (MPSS) as a tool for in-depth quantitative gene expression profiling in all organisms / J. Reinartz [et al.] // Brief Funct Genomic Proteomic. 2002. № 1 (1). P. 95-104.
47. Mining and development of novel SSR markers using next generation sequencing (NGS) data in plants / S. Taheri [et al.] // Molecules. 2018. № 23 (2). e399.
48. NCBI Genome. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome.
49. NCBI. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/.
50. Nucleotide sequence of bacteriophage ^X174 DNA / F. Sanger [et al.] // Nature. 1977. V. 265 (5596). P. 687-695.
51. Phytozome13. https://phytozome-next.jgi.doe.gov.
52. Physiological and biochemical behaviour of Gleditsia triacanthos L. young seedlings under drought stress conditions / S. Kebbas [et al.] // Notulae Botanicae Horti Agrobotanici Cluj-Napoca. 2018. № 46(2). P. 585-592.
53. Physiological and proteomic responses to salt stress in chloroplasts of diploid and tetra-ploid black locust (Robinia pseudoacacia L.) / F. Meng [et al.] // Sci Rep. 2016. № 6. e23098.
54. Populus endo-ß-1,4-glucanases gene family: genomic organization, phylogenetic analysis, expression profiles and association mapping / Q. Du [et al.] // Planta. 2015. № 241 (6). P. 1417-1434.
55. Rice genomics: over the past two decades and into the future. genomics proteomics / S. Song [et al.] // Bioinformatics. 2018. № 16 (6). P. 397-404.
56. Schatz M. C., Witkowski J., McCombie W. R. Current challenges in de novo plant genome sequencing and assembly // Genome Biol. 2012. № 13. P. 243.
57. Selig M., Bohne H. Drought stress reactions of different populations of Quercus robur L. and Tilia cordata Mill. 1 // Journal of Environmental Horticulture. 2017. № 35 (1). P. 6-12.
58. Semenyutina A. V., Melnik K. A. Semenyutina V. A. Assessment of Growth and Development of Representatives under the Conditions of Chestnut Soils // Ecological Engineering & Environmental Technology. 2022. № 23 (1). P. 19-24.
59. Twenty years of plant genome sequencing: achievements and challenges / Y. Sun [et al.] // Trends Plant Sci. 2022. № 27 (4). P. 391-401.
60. Xiao T., Zhou W. The third-generation sequencing: the advanced approach to genetic diseases // Transl Pediatr. 2020. № 9 (2). P. 163-173.
61. Why assembling plant genome sequences is so challenging / M. G. Claros [et al.] // Biology (Basel). 2012. № 1 (2). P. 439-459.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Информация об авторах Беляев Александр Иванович, директор ФНЦ Агроэкологии РАН (400062, Волгоград, пр-кт Университетский, д. 97), доктор сельскохозяйственных наук, профессор e-mail: [email protected] OR-CID: 0000-0001-8077-7052
Крылов Павел Андреевич, ведущий научный сотрудник-и.о. заведующего лабораторией геномных и постгеномных технологий, ФНЦ Агроэкологии РАН (400062, Волгоград, пр-кт Университетский, д. 97), кандидат биологических наук, тел. 8 (917) 333-29-21, e-mail: [email protected] ORCID: 00000001-9587-5886
Пугачева Анна Михайловна, ученый секретарь, и.о. заместителя директора по научной работе ФНЦ Агроэкологии РАН (400062, Волгоград, пр-кт Университетский, д. 97), кандидат сельскохозяйственных наук, e-mail: [email protected] ORCID: 0000-0003-0852-8056
Деревщикова Людмила Владимировна, инженер-исследователь лаборатории геномных и постгеномных технологий, ФНЦ Агроэкологии РАН (400062, Волгоград, пр-кт Университетский, д. 97), email: [email protected] ORCID: 0000-0002-9348-7617
DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-04 EFFECT OF MULTI-COMPONENT FERTILIZERS ON THE YIELD OF TABLE BEET
A.N. Bondarenko, O.V. Kostyrenko
Federal State Budget Scientific Institution «Caspian Agrarian Federal Scientific Center of the Russian Academy of Sciences», Astrakhan region
Received 01.03.2023 Submitted 10.05.2023
Summary
The results of growing canteen beets under conditions of light chestnut soil on drip irrigation are presented. Promising options have been identified that contribute to the formation of a high yield of the studied crop.
Abstract
Introduction. Currently, the reduction of general production costs per unit of production is a priority direction in the modern development of the agro-industrial complex. At the same time, there is a priority task aimed at increasing the yield and quality of crops. In solving this direction, macro- and mi-croutilization belongs to an important place. Object. Table beet hybrids: Kestrel F1, Major F1 and Bona F1. Materials and methods. The field experiment was carried out in the period from 2020 to 2022 at the fields the Federal State Budget Scientific Institution «Caspian Agrarian Federal Scientific Center of the Russian Academy of Sciences» located at a distance of 1.5 km northwest of the village Solenoe Zaimische. Experience included studying the influence of multicomponent fertilizers on the yield of table beets, with a systematic method of split plots. During this research work, a significant difference was found both in the yield and in the cost-effectiveness of complex mineral products. The material of the field experiment was the complex mineral fertilizers Bor, Zinc, Magnesium, Aminovit. Results and conclusions. In general, the main results of the work 2020... 2022 gave reason to isolate the Kestrel F1 hybrid on the option when applying mineral fertilizers in the background in a dose of Ni20P60K60 during joint non-root treatment with the complex preparation Boron. The commercial yield in this case was 57.0 t/ha. At the same time, the increase in control was + 19.4 t/ha with an average root crop weight of 221.0 g and marketability of 78.1%. Thus, in the course of the economic analysis, it was proved that the Kestrel F1 hybrid had all the options for experience against the background of the application of mineral fertilizers Ni20P60K60 in combination with non-root (leaf) treatments turned out to be highly profitable.
Key words: beets, hybrid, multicomponent fertilizers, yield, cost-effectiveness analysis.
Citation. Bondarenko A.N., Kostyrenko O.V. Effect of multi-component fertilizers on the yield of table beet. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2023. 2(70). 42-48 (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-04.
