Разработка молекулярно-генетических маркеров генов, вовлеченных в формирование адаптивной реакции у сосны

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.

1. Волков 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.