ispltaИзвестия Санкт-Петербургской лесотехнической академииIzvestia Sankt-Peterburgskoj lesotehniceskoj akademii2079-43042658-5871СПбГЛТУ10.21266/2079-4304.2026.257.238-254isplta-702Research ArticleЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВОFORESTRYРазработка молекулярно-генетических маркеров генов, вовлеченных в формирование адаптивной реакции у сосныDevelopment of molecular genetic markers of genes encoding adaptive response methods in pineСафронычеваЕ. Д.SafronychevaE. D.

Сафронычева Елизавета Дмитриевна – младший научный сотрудник центра биоинформатики и геномных исследований; младший научный сотрудник научно-исследовательского отдела генетики и биотехнологий

194021, Институтский пер., д. 5, лит. У, Санкт-Петербург 

194021, Институтский пр., д. 21, Санкт-Петербург 

Safronycheva Elizaveta D. – Junior Researcher at the Centre for Bioinformatics and Genomic Research; Junior Researcher

194021. Institute per. 5. Let. U. St. Petersburg 

194021. Institute per. 21. St. Petersburg 

esafronycheva@mail.ruГригорьевМ. А.GrigoryevM. A.

Григорьев Матвей Александрович – лаборант-исследователь научно-исследовательского отдела генетики и биотехнологий; студент

194021, Институтский пр., д. 21, Санкт-Петербург 

194021, Институтский пер., д. 5, лит. У, Санкт-Петербург 

Grigoryev Matvey A. – Laboratory Research Assistant at the Scientific Research Department of Genetics and Biotechnology; student

194021. Institute per. 21. St. Petersburg 

194021. Institute per. 5. Let. U. St. Petersburg 

dagrmaeiui@gmail.comКаржаевД. С.KarzhaevD. S.

Каржаев Дмитрий Сергеевич – младший научный сотрудник Центра биоинформатики и геномных исследований; научный сотрудник научно-исследовательского отдела генетики и биотехнологии

194024, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург 

194021, Институтский пр., д. 21, Санкт-Петербург 

Karzhaev Dmitry S. – Junior Researcher at the Center for Bioinformatics and Genomic Research ; Researcher at the Scientific Research Department of Genetics and Biotechnology

194024. Institute per. 5. St. Petersburg 

194021. Institute per. 21. St. Petersburg 

karzhaevd@gmail.comШаршавиковаВ. В.SharshavikovaV. V.

Шаршавикова Вероника Владимировна – лаборант-исследователь научно-исследовательского отдела генетики и биотехнологии

194021, Институтский пр., д. 21, Санкт-Петербург 

Sharshavikova Veronika V. – Laboratory Research Assistant at the Scientific Research Department of Genetics and Biotechnology

194021. Institute per. 21. St. Petersburg 

veronikasharshavikova@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0009-6998-8823ТисМ. В.TisM. V.

Тис Маргарита Витальевна – младший научный сотрудник Центра биоинформатики и геномных исследований; младший научный сотрудник научно-исследовательского отдела генетики и биотехнологии; аспирант; младший инженер-исследователь Проектного центра агротехнологий

194024, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург

194021, Институтский пр., д. 21, Санкт-Петербург

197101, Кронверкский пр., д. 49, лит. А, Санкт-Петербург

121205, Большой бульвар, д. 30, стр. 1, Москва

Tis Margarita V. – Junior Researcher at the Center for Bioinformatics and Genomic Research; Junior Researcher at the Scientific Research Department of Genetics and Biotechnology; PhD student; Junior Research Engineer at the Project Center for Agro Technologies

194024. Institute per. 5. St. Petersburg 

194021. Institute per. 21. St. Petersburg 

197101. Kronverkskiy av. 49. Let. A. St. Petersburg 

121205. Bolshoy boul. 30. Bld. 1. Moscow 

margarita.tis@yahoo.comПавловН. А.PavlovN. A.

Павлов Никита Александрович – стажёр-исследователь центра био- и медицинских технологий, магистрант  Сколтеха 

121205, Большой бульвар, д. 30, стр. 1, Москва 

Pavlov Nikita A. – Research intern at the Center for Bio- and Medical Technologies; Skoltech master's

121205. Bolshoy boul. 30. Bld. 1. Moscow 

ВолковВ. А.VolkovV. A.

Волков Владимир Александрович – директор Центра биоинформатики и геномных исследований; научный сотрудник научно-исследовательского отдела генетики и биотехнологии, кандидат биологических наук 

194024, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург

194021, Институтский пр., д. 21, Санкт-Петербург 

Volkov Vladimir A. – PhD (Biological), Director of the Center for Bioinformatics and Genomic Research; Researcher at the Scientific Research Department of Genetics and Biotechnology

194024. Institute per. 5. St. Petersburg 

194021. Institute per. 21. St. Petersburg 

vol-j@mail.ruСанкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова ; Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт лесного хозяйстваРоссияSt.Petersburg State Forest Technical University ; Saint Petersburg Forestry Research InstituteRussian FederationСанкт-Петербургский научно-исследовательский институт лесного хозяйства ; Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. КироваРоссияSaint Petersburg Forestry Research Institute ; St.Petersburg State Forest Technical UniversityRussian FederationСанкт-Петербургский научно-исследовательский институт лесного хозяйстваРоссияSaint Petersburg Forestry Research InstituteRussian FederationСанкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова ; Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт лесного хозяйства ; ИТМО ; Сколковский институт науки и технологийРоссияSt.Petersburg State Forest Technical University ; Saint Petersburg Forestry Research Institute ; ITMO ; Skolkovo Institute of Science and TechnologyRussian FederationСколковский институт науки и технологийРоссияSkolkovo Institute of Science and TechnologyRussian Federation2026290420261257238254Copyright © Сафронычева Е.Д., Григорьев М.А., Каржаев Д.С., Шаршавикова В.В., Тис М.В., Павлов Н.А., Волков В.А., 20262026Сафронычева Е.Д., Григорьев М.А., Каржаев Д.С., Шаршавикова В.В., Тис М.В., Павлов Н.А., Волков В.А.Safronycheva E.D., Grigoryev M.A., Karzhaev D.S., Sharshavikova V.V., Tis M.V., Pavlov N.A., Volkov V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestiya-lta.spbftu.ru/jour/article/view/702

В условиях глобального изменения климата, приводящего к учащению засух, заморозков и вспышек численности вредителей, актуальной задачей является селекция сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) на повышение устойчивости. Перспективным инструментом для ускорения селекционного процесса является маркер-опосредованная селекция (MAS), требующая разработки молекулярных маркеров, связанных с адаптивными признаками. Целью настоящего исследования была разработка и первичная апробация таких маркеров. Ввиду отсутствия полногеномной референсной сборки для сосны обыкновенной был применен кандидат-генный подход. В работе сфокусировались на генах, гомологи которых у близкородственных видов ассоциированы с адаптацией: PRR1 и PRR7 (компоненты циркадных часов, участвующие в реакции на фотопериод и температурный стресс), dhn1 (дегидрин, обеспечивающий устойчивость к обезвоживанию), а также митохондриальных генах COX1 и ATP-A (филогенетические маркеры). На основе выявленных методом секвенирования полиморфизмов (SNP и делеция) были разработаны 4 KASP- и 1 STS-маркер. Их апробация проведена на географических культурах сосны на выборке из 100 деревьев четырех климатипов (Ленинградская обл., Карелия, Эстония, Удмуртия). Статистический анализ с использованием точного критерия Фишера выявил достоверное различие (p ≤ 0,05) в частотах аллелей гена PRR7 между карельским и удмуртским климатипами, что указывает на возможную долготную клинальность этого локуса и его потенциальную информативность для оценки адаптивной дифференциации популяций. Для остальных генов в рамках данной выборки четких ассоциаций не установлено. Результаты работы демонстрируют эффективность кандидат-генного подхода для начального этапа разработки молекулярных маркеров адаптации у сосны обыкновенной и закладывают основу для дальнейших исследований по установлению надежных фенотип-генотипных связей с целью последующего применения в селекционных программах для создания устойчивого посадочного материала.

Under the conditions of global climate change, which leads to increased frequency of droughts, frosts, and pest outbreaks, the breeding of Scots pine (Pinus sylvestris L.) for enhanced resilience is an urgent task. Marker-assisted selection (MAS) is a promising tool for accelerating the breeding process, requiring the development of molecular markers associated with adaptive traits. The aim of this study was to develop and preliminarily test such markers. Due to the lack of a whole-genome reference assembly for Scots pine, a candidate-gene approach was employed. The study focused on genes whose homologs in related species are associated with adaptation: PRR1 and PRR7 (components of the circadian clock involved in response to photoperiod and temperature stress), dhn1 (a dehydrin conferring resistance to dehydration), as well as the mitochondrial genes COX1 and ATP-A (phylogenetic markers). Based on polymorphisms (SNPs and a deletion) identified by sequencing, 4 KASP and 1 STS markers were developed. Their testing was conducted on geographical cultures of pine using a sample of 100 trees from four climotypes (Leningrad Region, Karelia, Estonia, Udmurtia). Statistical analysis using Fisher's exact test revealed a significant difference (p ≤ 0.05) in allele frequencies of the PRR7 gene between the Karelian and Udmurtian climotypes, indicating a potential longitudinal cline for this locus and its potential informativeness for assessing adaptive population differentiation. For the other genes, no clear associations were established within this sample. The results demonstrate the effectiveness of the candidate-gene approach for the initial stage of developing molecular markers for adaptation in Scots pine and lay the groundwork for further research to establish reliable phenotype-genotype linkages with the aim of subsequent application in breeding programs to create resilient planting material.

сосна обыкновеннаяоднонуклеотидные полиморфизмыген-кандидатный подходмолекулярные маркерыKASPSTSадаптивные признакилесовосстановлениеклиматические измененияScots pinesingle nucleotide polymorphismscandidate gene approachmolecular markersKASPSTSadaptive traitsreforestationclimate changeИсследование выполнено за счет средств федерального бюджета в рамках государственного задания ФБУ «СПбНИИЛХ» на проведение прикладных научных исследований от 26.12.2024 № 053-00005-25-00 по теме «Разработка лабораторного регламента молекулярного маркирования генов, участвующих в формировании адаптивных реакций у ели и сосны, для использования при планировании лесовосстановления в условиях климатических изменений» (шифр 2-Г25 молекулярное маркирование).ReferencesВолков В.А., Каржаев Д.С., Сафронычева Е.Д., Тис М.В., Чухланцева К.В., Шаршавикова В.В., Потокина Е.К. Использование KASP- и HRM-маркеров для выявления полиморфизмов, влияющих на адаптивные признаки сосны и ели // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2024. Вып. 251. С. 229-244. DOI: 10.21266/2079-4304.2024.251.229-244.Butcher P., Southerton S. Marker Assisted Selection in Forestry Species. Marker Assisted Selection: Current Status and Future Perspectives in Crop, Livestock, Forestry and Fish. Rome, 2007, ch. 15, pp. 284-305.Лесные генетические ресурсы России: изучение, сохранение, использование, управление: коллективная монография в 2 кн. Пушкино: Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства, 2024. 546 с.Caré O., Chano V., Erley M., Rogge M., Gailing O. Circadian rhythm and redox homeostasis candidate genes showed association with shallow elevation in Norway spruce. Plant Biology, 2024, vol. 26, iss. 4, pp. 508-520. DOI: 10.1111/plb.13642.Семериков В.Л., Путинцева Ю.А., Орешкова Н.В., Семерикова С.А., Крутовский К.В. Разработка новых маркеров митохондриальной ДНК сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) для популяционно-генетических и филогеографических исследований // Генетика. 2015. Т. 51, № 12. С. 1386-1390. DOI: 10.7868/S0016675815120103.Feng J., Dan X., Cui Y., Gong Y., Peng M., Sang Y., Ingvarsson P.K., Wang J. Integrating evolutionary genomics of forest trees to inform future tree breeding amid rapid climate change. Plant Communications, 2024, vol. 5, iss. 10, art. no. 101044. DOI: 10.1016/j.xplc.2024.101044.Butcher P., Southerton S. Marker Assisted Selection in Forestry Species // Marker Assisted Selection: Current Status and Future Perspectives in Crop, Livestock, Forestry and Fish. Rome, 2007. Ch. 15. P. 284-305.Forest Genetic Resources of Russia: Study, Conservation, Use, Management: a collective monograph in 2 books. Pushkino: All-Russian Research Institute of Forestry and Mechanization of Forestry, 2024. 546 p. (In Russ.)Caré O., Chano V., Erley M., Rogge M., Gailing O. Circadian rhythm and redox homeostasis candidate genes showed association with shallow elevation in Norway spruce // Plant Biology. 2024. Vol. 26, iss. 4. P. 508-520. DOI: 10.1111/plb.13642.Hotta C.T. The evolution and function of the PSEUDO RESPONSE REGULATOR gene family in the plant circadian clock. Genetics and Molecular Biology, 2022, vol. 45, iss. 3 Suppl 1, art. no. e20220137. DOI: 10.1590/1678-4685-gmb-2022-0137.Feng J., Dan X., Cui Y., Gong Y., Peng M., Sang Y., Ingvarsson P.K., Wang J. Integrating evolutionary genomics of forest trees to inform future tree breeding amid rapid climate change // Plant Communications. 2024. Vol. 5, iss. 10. Art. no. 101044. DOI: 10.1016/j.xplc.2024.101044.Ito S., Niwa Y., Nakamichi N., Kawamura H., Yamashino T., Mizuno T. Insight into missing genetic links between two evening-expressed pseudo-response regulator genes TOC1 and PRR5 in the circadian clock-controlled circuitry in Arabidopsis thaliana. Plant and cell physiology, 2008, vol. 49, iss. 2, pp. 201–213. DOI: 10.1093/pcp/pcm178.Hotta C.T. The evolution and function of the PSEUDO RESPONSE REGULATOR gene family in the plant circadian clock // Genetics and Molecular Biology. 2022. Vol. 45, iss. 3 Suppl 1. Art. no. e20220137. DOI: 10.1590/1678-4685-gmb-2022-0137.Kaczorowski K.A., Quail P.H. Arabidopsis PSEUDO-RESPONSE REGULATOR7 is a signaling intermediate in phytochrome-regulated seedling deetiolation and phasing of the circadian clock. The Plant Cell, 2003, vol. 15, iss. 11, pp. 2654–2665. DOI: 10.1105/tpc.015065.Ito S., Niwa Y., Nakamichi N., Kawamura H., Yamashino T., Mizuno T. Insight into missing genetic links between two evening-expressed pseudo-response regulator genes TOC1 and PRR5 in the circadian clock-controlled circuitry in Arabidopsis thaliana // Plant and cell physiology. 2008. Vol. 49, iss. 2. P. 201-213. DOI: 10.1093/pcp/pcm178.Kim Y.J., Kim W.Y., Somers D.E. HOS 15‐mediated turnover of PRR 7 enhances freezing tolerance. New Phytologist, 2024, vol. 244, iss. 3, pp. 798–810. DOI: 10.1111/nph.20062.Kaczorowski K.A., Quail P.H. Arabidopsis PSEUDO-RESPONSE REGULATOR7 is a signaling intermediate in phytochrome-regulated seedling deetiolation and phasing of the circadian clock // The Plant Cell. 2003. Vol. 15, iss. 11. P. 2654-2665. DOI: 10.1105/tpc.015065.Korotaeva N., Romanenko A., Suvorova G., Ivanova M.I., Lomovatskaya L., Borovskii G., Voinikov V. Seasonal changes in the content of dehydrins in mesophyll cells of common pine needles. Photosynthesis Research, 2015, vol. 124, pp. 159–169. DOI: 10.1007/s11120-015-0112-2.Kim Y.J., Kim W.Y., Somers D.E. HOS 15‐mediated turnover of PRR 7 enhances freezing tolerance // New Phytologist. 2024. Vol. 244, iss. 3. P. 798-810. DOI: 10.1111/nph.20062.Leites L., Benito Garzón M. Forest tree species adaptation to climate across biomes: Building on the legacy of ecological genetics to anticipate responses to climate change. Global Change Biology, 2023, vol. 29, iss. 17, pp. 4711–4730. DOI: 10.1111/gcb.16711.Korotaeva N., Romanenko A., Suvorova G., Ivanova M.I., Lomovatskaya L., Borovskii G., Voinikov V. Seasonal changes in the content of dehydrins in mesophyll cells of common pine needles // Photosynthesis Research. 2015. Vol. 124. P. 159-169. DOI: 10.1007/s11120-015-0112-2.Lundqvist L., Ahlström M.A., Axelsson E.P., Mörling T., Valinger E. Multilayered Scots pine forests in boreal Sweden result from mass regeneration and size stratification. Forest Ecology and Management, 2019, vol. 441, pp. 176–181. DOI: 10.1016/j.foreco.2019.03.044.Leites L., Benito Garzón M. Forest tree species adaptation to climate across biomes: Building on the legacy of ecological genetics to anticipate responses to climate change // Global Change Biology. 2023. Vol. 29, iss. 17. P. 4711-4730. DOI: 10.1111/gcb.16711.Millar C.I., Stephenson N.L. Temperate forest health in an era of emerging megadisturbance. Science, 2015, vol. 349, iss. 6250, pp. 823–826. DOI: 10.1126/science.aaa9933.Lundqvist L., Ahlström M.A., Axelsson E.P., Mörling T., Valinger E. Multilayered Scots pine forests in boreal Sweden result from mass regeneration and size stratification // Forest Ecology and Management. 2019. Vol. 441. P. 176-181. DOI: 10.1016/j.foreco.2019.03.044.Muranty H., Jorge V., Bastien C., Lepoittevin C., Bouffier L., Sanchez L. Potential for marker-assisted selection for forest tree breeding: lessons from 20 years of MAS in crops. Tree Genetics & Genomes, 2014, vol. 10, iss. 6, pp. 1491-1510. DOI: 10.1007/s11295-014-0790-5.Millar C.I., Stephenson N.L. Temperate forest health in an era of emerging megadisturbance // Science. 2015. Vol. 349, iss. 6250. P. 823-826. DOI: 10.1126/science.aaa9933.Rahimah A.B., Cheah S.C., Rajinder S. Freeze-drying of oil palm (Elaeis guineensis) leaf and its effect on the quality of extractable DNA. Journal of Oil Palm Research, 2006, vol. 18, pp. 296–304.Muranty H., Jorge V., Bastien C., Lepoittevin C., Bouffier L., Sanchez L. Potential for marker-assisted selection for forest tree breeding: lessons from 20 years of MAS in crops // Tree Genetics & Genomes. 2014. Vol. 10, iss. 6. P. 1491-1510. DOI: 10.1007/s11295-014-0790-5.Seidl R., Thom D., Kautz M., Martin-Benito D., Peltoniemi M., Vacchiano G., Wild J., Ascoli D., Petr M., Honkaniemi J., Lexer M.J., Trotsiuk V., Mairota P., Svoboda M., Fabrika M., Nagel T.A., Reyer C.P.O. Forest disturbances under climate change. Nature climate change, 2017, vol. 7, iss. 6, pp. 395-402. DOI: 10.1038/nclimate3303.Rahimah A.B., Cheah S.C., Rajinder S. Freeze-drying of oil palm (Elaeis guineensis) leaf and its effect on the quality of extractable DNA // Journal of Oil Palm Research. 2006. Vol. 18. P. 296-304.Semerikov V.L., Putinseva Yu.A., Oreshkova N.V., Semerikova S.A., Krutovskiy K.V. Development of New Mitochondrial DNA Markers for Scots Pine (Pinus sylvestris L.) for Population-Genetic and Phylogeographic Studies Genetika, 2015, vol. 51, no. 12, pp. 1386-1390. DOI 10.7868/S0016675815120103. (In Russ.)Seidl R., Thom D., Kautz M., Martin-Benito D., Peltoniemi M., Vacchiano G., Wild J., Ascoli D., Petr M., Honkaniemi J., Lexer M.J., Trotsiuk V., Mairota P., Svoboda M., Fabrika M., Nagel T.A., Reyer C.P.O. Forest disturbances under climate change // Nature climate change. 2017. Vol. 7, iss. 6. P. 395–402. DOI: 10.1038/nclimate3303.Stival Sena J., Giguère I., Rigault P., Bousquet J., Mackay J. Expansion of the dehydrin gene family in the Pinaceae is associated with considerable structural diversity and drought-responsive expression. Tree Physiology, 2018, vol. 38, iss. 3, pp. 442-456. DOI: 10.1093/treephys/tpx125.Stival Sena J., Giguère I., Rigault P., Bousquet J., Mackay J. Expansion of the dehydrin gene family in the Pinaceae is associated with considerable structural diversity and drought-responsive expression // Tree Physiology. 2018. Vol. 38, iss. 3. P. 442- 456. DOI: 10.1093/treephys/tpx125.Volkov V.A., Karzhayev D.S., Safronycheva E.D., Tis M.V., Chukhlantseva K.V., Sharshavikova V.V., Potokina E.K. Use of KASP and HRM Markers for Detection of Polymorphisms Affecting Adaptive Traits of Pine and Spruce. Izvestiya SanktPeterburgskoy Lesotekhnicheskoy Akademii, 2024, iss. 251, pp. 229-244. DOI: 10.21266/2079-4304.2024.251.229-244. (In Russ.)Wachowiak W., Balk P.A., Savolainen O. Search for nucleotide diversity patterns of local adaptation in dehydrins and other cold-related candidate genes in Scots pine (Pinus sylvestris L.) // Tree Genetics & Genomes. 2009. Vol. 5, iss. 1. P. 117-132. DOI: 10.1007/s11295-008-0188-3.Wachowiak W., Balk P.A., Savolainen O. Search for nucleotide diversity patterns of local adaptation in dehydrins and other cold-related candidate genes in Scots pine (Pinus sylvestris L.). Tree Genetics & Genomes, 2009, vol. 5, iss. 1, pp. 117-132. DOI: 10.1007/s11295-008-0188-3.van Zee K., Chen F.Q., Hayes P.M., Close T.J., Chen T.H.H. Cold-specific induction of a dehydrin gene family member in barley // Plant Physiology. 1995. Vol. 108, iss. 3. P. 1233-1239. DOI: 10.1104/pp.108.3.1233.van Zee K., Chen F.Q., Hayes P.M., Close T.J., Chen T.H.H. Cold-specific induction of a dehydrin gene family member in barley. Plant Physiology, 1995, vol. 108, iss. 3, pp. 1233-1239. DOI: 10.1104/pp.108.3.1233.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.