Молекулярная характеристика и ассоциативное картирование представителей вида Gossypium barbadense из коллекции гермплазмы Узбекистана

Актуальность и востребованность диссертационной работы. «Согласно прогнозам ООН к 2050 году производство пищевых ресурсов должно быть увеличено вдвое, что бы прокормить приблизительно 9.3 млрд. людей»1. С ухудшением глобальных климатических условий и деградацией почв происходит падение продуктивности сельхозпроизводства. Во избежание глобальной экологической катастрофы необходимы радикальные изменения в структуре производства и потребления ряда ключевых природных и сельскохозяйственных ресурсов, в том числе хлопчатника.
Хлопчатник (Gossypium L.) является одной из важнейших сельскохозяйственных культур. По оценкам экспертов, к 2030 г. мировой спрос на хлопковую продукцию вырастет более чем в два раза, в то время как ежегодный генетический прирост урожайности хлопка сырца, составляет всего 7,1-8,7 кг/га. Наряду с этим, конкуренция на мировом рынке приводит к росту требований к качеству хлопкового волокна.
Большинство сортов современного культивируемого хлопчатника обладают общей генетической структурой, которая не способна в полной мере удовлетворять современным требованиям. Работы по улучшению качества волокна - очень сложный процесс из-за узкой генетической базы современных сортов хлопчатника и отрицательной генетической корреляции между качеством хлопкового волокна и урожайностью. Это указывет на необходимость исследовать генетические ресурсы хлопчатника, для использования в селекционном процессе его генетического разнообразия.
Для обеспечения высокой конкурентоспособности хлопковой продукции, в Узбекистане применяют современные подходы для повышения урожайности и качества хлопкового волокна.
Интродукция ценного генетического материала, методами маркер-ассоциированной селекции (МАС) обогатит и улучшит современные сорта и обеспечит конкурентоспособность продукции республики на мировом рынке. Большая часть геномных исследований и МАС сконцентрирована на представителях вида G. hirsutum. Другим видам, к сожалению, не уделяется должного внимания, в тоже время они имеют богатейший генетический потенциал. Например, необходимо сконцентрировать на геноме тонковолокнистого хлопчатника (G.barbadense), волокно которого по качеству значительно превосходит показатели современных сортов.
Данное диссертационное исследование в определенной степени служит для выполнения задач по реализации Указа Президента Республики Узбекистан от 20 октября 2008 года №УП-4041 «О мерах по оптимизации посевных площадей и увеличению производства продовольственных культур».
Целью исследований является оценка молекулярно-генетического разнообразия, структуры популяции и идентификация генетических локусов ассоциированных с ценными признаками волокна у культивируемых представителей тонковолокнистого хлопчатника (С7. barbadense) из мировой коллекции гермплазмы хлопчатника Узбекистана.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что впервые:
проведена оценка разнообразия большой выборки из 288 сортообразцов G.barbadense из коллекции гермплазмы хлопчатника Узбекистана в двух независимых эко-географических условиях (Узбекистан и США) по комплексу ценных хозяйственных признаков;
определены экотипы, обладающие наибольшей стабильностью по интересующим признакам в различных экогеографических условиях произрастания, а так же сочетающие в себе наилучшие показатели нескольких признаков волокна и ценных морфо-биологических показателей, как в условиях Узбекистана, так и в условиях США;
оценено молекулярно-генетическое разнообразие сортообразцов G.barbadense при помощи SSR маркеров и определены информативные микросателлитные маркерные локусы для анализа генома культивируемых представителей вида G. barbadense;
выявлено количество, вариабельность и распределение частот аллелей SSR маркерных локусов у представителей культивируемой гермплазмы G.barbadense L и дана оценка генетического разнообразия на уровне ДНК-маркерных локусов;
определены генетические расстояния, генетические различия и филогенетические отношения сортообразцов из коллекции культивируемых представителей тонковолокнистого хлопчатника;
определена генетическая структура популяции культивируемых представителей G. barbadense , выявлена генетическая дифференциация популяции и определены наиболее генетически разнообразные экотипы.
определена межпопуляционная и внутрипопуляционная генетическая дифференциация;
проведена оценка неравновесия по сцеплению и его распад в геноме культивируемого вида G. barbadense ;
проведено ассоциативное картирование ценных признаков с использованием ресурсов гермплазмы культивируемого вида G. barbadense и выявлены признак-ассоциированные маркеры, сохранившие строгую ассоциацию с признаками волокна, как в условиях Узбекистана, так и США;
уточнена интегрированная генетическая карта тетраплоидного хлопчатника, на которой были определены расстояния между новыми и уже известными признак-ассоциированными маркерами, определено более точное расположение некоторых QTL хозяйственно-ценных признаков на хромосомах;
опробован метод «in silica chromosome walking» с применением комплексного компьютерного анализа, который позволил выявить последовательности, возле SSR маркерных локусов, гомологичные генам обуславливающим проявление некоторых маркер-ассоциированных признаков.
Заключение
1. Проведена оценка разнообразия выборки из 288 сортообразцов G.barbadense из коллекции гермплазмы хлопчатника Узбекистана в двух независимых эко-географических условиях по комплексу ценных хозяйственных признаков. Определены экотипы, обладающие наибольшей стабильностью по интересующим признакам в различных экогеографических условиях произрастания, а так же сочетающие в себе наилучшие показатели нескольких признаков волокна и ценных морфо-биологических показателей, как в условиях Узбекистана, так и в условиях США, которые являются первоочередными для вовлечения в селекционные работы.
2. Оценено молекулярно-генетическое разнообразие генома G. barbadense при помощи SSR маркеров. Выявлено 108 полиморфных SSR маркеров, амплифицировавших 301 маркерный локус. Количество локусов варьировалось от 2 до 5 со средним значением 3,5 локуса на один SSR маркер. В исследовании 60 (55%) маркеров оказались мультилокусными (3 и более локусов), большинство локусов (81%) было представлено двумя и тремя аллелями. Показано, что в гермплазме культивируемых представителей G. barbadense присутствует большое количество новых аллелей. На основании выявленных маркеров, создана панель для определения экотипов и их сортовой принадлежности, получен уникальный для каждого образца генетический профиль (ДНК-баркод).
3. Выявлено умеренное (~33%) общее среднее генетическое разнообразие на уровне ДНК-маркерных локусов, варьировавшее в широком диапазоне (0,02-0,71), Определены филогенетические отношения сортообразцов G. barbadense , на основании выявленных генетических расстояний варьировавших в пределах 0,01 - 0,67, со средним значением 0,19. Определена генетическая структура популяции, которая представлена двумя субпопуляциями и несколькими генетическими группами внутри субпопуляций.
4. Выявлен высокий уровень внутрипопуляционной изменчивости (67,2%)и умеренная межпопуляционная дифференциация (32,8%). Очень сильная генетическая дифференциация (0,584) выявлена между Африканской и Туркменской субпопуляцией и Африканской и Узбекской субпопуляцией (0,575). Между Узбекской и Туркменской субпопуляцией отмечена умеренная генетическая дифференциация (Ғ5/=0,117). В формировании сортообразцов коллекции принимали участие африканские, афроамериканские и американские генотипы. Наибольшим генетическим разнообразием обладают сорта туркменской селекции. Четко прослеживается генетическая обособленность сортов узбекской и туркменской селекции, и отмечено формирование среднеазиатского экотипа.
5. Неравновесие по сцеплению в геноме культивируемого вида G. barbadense , при критических значениях г2>0,1 и г2>0,2 сохранялось у 8% и 4,3% попарных комбинаций SSR маркеров соответственно.
6. Распад НС в геноме культивируемого вида G. barbadense, при минимальном пороге г2>0,05составляет в среднем 24,8сМ, а при высоком пороговом значении г2>0,1 НС сохраняется, в среднем, на расстоянии до 3,36сМ.
7. Ассоциативным картированием признаков на основании MLM выявлено 100 признак-ассоциированных маркеров, сохранивших строгую ассоциацию с признаками волокна, как в условиях Узбекистана, так и США, из них 85 маркеров идентифицированы впервые. Выявлены маркеры, в высокой степени ассоциированные (BF<0,15), как с одним, так и с двумя и более хозяйственно-ценными признаками в обоих географических условиях, являющиеся первоочередными для использования в МАС.
8. Получена уточненная интегрированная генетическая карта тетраплоидного хлопчатника, на которой определены расстояния между новыми и уже известными признак-ассоциированными маркерами и определено более точное расположение некоторых QTL хозяйственноценных признаков на хромосомах.
9. Опробован метод «in silico chromosome walking» с применением комплексного компьютерного анализа и выявлены последовательности, возле 8 SSR маркеров были идентифицированы 17 генов. Из них, по крайней мере, 8 генов существенно совпадают с выявленными ассоциациями маркер-признак на основании сравнения описанных в литературе функций.