Актуальность

Засуха — это природное климатическое явление, но с изменением климата и повышением глобальной температуры ожидается увеличение частоты и интенсивности засушливых периодов. Устойчивость к засухе является важной характеристикой для растений, особенно в сельском хозяйстве, где дефицит воды может значительно повлиять на урожайность. Разработка сельскохозяйственных культур с повышенной устойчивостью к засухе имеет ключевое значение для обеспечения продовольственного производства в условиях изменяющегося климата. Для ускорения селекции на устойчивость к засухе необходимо понимать физиологические и генетические основы реакции растений на засуху. Однако устойчивость к засухе — это сложный количественный признак, контролируемый множественными генетическими локусами и подверженный воздействию факторов окружающей среды.

В контексте селекции растений исследователи и селекционеры стремятся выявить и использовать специфические аллели в генофонде для улучшения желаемых признаков в новых сортах. Генофонд хлопчатника содержит полезные аллели для селекции элитного генофонда в условиях изменяющейся окружающей среды и климата. Однако образцы и линии традиционно характеризуются на основе фенотипических признаков, но фенотипические профили ограничены из-за высокой стоимости, временных затрат и необходимости большого пространства для проведения визуальных наблюдений и измерений.

Геномно-ассоциативное исследование (GWAS) представляет собой эффективный метод, используемый в генетике для выявления взаимосвязей между генетическими вариантами и специфическими признаками или фенотипами. При применении к изучению местных сортов сельскохозяйственных культур GWAS может предоставить ценную информацию о генетической основе важных признаков.

Научная новизна данного проекта заключается в его современном подходе, охватывающем три ключевых аспекта. Во-первых, проект направлен на скрининг и классификацию 288 видов хлопчатника из казахстанской коллекции на основе их устойчивости к засухе как в полевых, так и в лабораторных условиях. Во-вторых, он включает изучение генетического разнообразия, структуры популяций и филогенетический анализ видов хлопчатника из казахстанской коллекции с использованием высокопроизводительных генотипирующих чипов. В-третьих, проект направлен на идентификацию SNP-маркеров, которые значительно связаны с признаками, относящимися к устойчивости к засухе.

Цель

• Отбор биологического материала и SNP-маркеров для исследований.
• Получение фенотипических данных и проведение биоинформатического анализа.
• Генотипирование образцов хлопчатника.
• Биоинформатический анализ фенотипических данных.
• Проект будет завершён с подготовкой научных публикаций и рекомендательного письма для повышения эффективности геномного отбора засухоустойчивых образцов хлопчатника в засушливых регионах.

Ожидаемые результаты

В соответствии с целями проекта, ожидаются следующие основные результаты:

• На основе результатов фенотипических данных по признакам толерантности образцы из казахстанской коллекции будут классифицированы по уровням засухоустойчивости, таким как высоко устойчивые, средне устойчивые, чувствительные и высоко чувствительные генотипы. Определённые наиболее засухоустойчивые генотипы будут рекомендованы для использования в селекции в засушливых регионах.
• На основе результатов генотипирования видов с использованием SNP-маркеров будут получены и описаны данные о генетическом разнообразии, структуре популяции и филогенетических связях.
• Фенотипические и генотипические данные видов хлопчатника будут проанализированы для выявления ассоциаций между маркерами и признаками с использованием метода GWAS.
• В рамках проекта будут опубликованы научные статьи в соответствии с его требованиями.

Руководитель проекта

Түсіпқан Д., PhD, Индекс Хирша 5. Идентификатор автора Scopus: 57218999913; https://orcid.org/0000-0003-1337-2834.

Члены исследовательской группы

Тусипкан Дильнур — доктор философии (PhD) в области генетики и селекции сельскохозяйственных культур, ведущий научный сотрудник Национального центра биотехнологий, Астана, Казахстан. Researcher ID: AAQ-6368-2021, ORCID ID: 0000-0003-1337-2834, Scopus ID: 5721899991

Манабаева Шуга Аскаровна — доктор философии (PhD) в области биологических наук, заведующая лабораторией генетической инженерии растений, Национальный центр биотехнологий, Астана, Казахстан. Researcher ID: A-2529-2015, ORCID: 0000-0001-7884-1713, Scopus Author ID: 55615915000

Махмаджанов Сабир Партович — доктор философии (PhD) в области сельскохозяйственных наук, заведующий отделом трансфера и адаптации сортов сельскохозяйственных культур ТОО «Сельскохозяйственная опытная станция хлопководства и бахчеводства», село Атакент, Мактааральский район, Туркестанская область, Казахстан. ORCID: 0000-0001-5623-0591, Scopus author ID: 57809032800

Тохетова Лаура Ануаровна — доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник ТОО «Сельскохозяйственная опытная станция хлопководства и бахчеводства», село Атакент, Мактааральский район, Туркестанская область, Казахстан. ResearcherID: ААС-6892-2021, ORCID: 0000-0003-2053-6956, Scopus author ID: 55601836700

Рахимжанова Айжан Осербаевна — магистр техники и технологии, научный сотрудник Национального центра биотехнологий, Астана, Казахстан. Researcher ID: ABI-1883-2020, ORCID: 0000-0002-4799-436X Scopus author ID: 57217680399

Рамазанова Малика Баглановна — магистр естественных наук, младший научный сотрудник Национального центра биотехнологий, Астана, Казахстан. Researcher ID: JJC-3385-2023, ORCID: 0000-0003-4994-2202, Scopus Author ID: 57226155889

Жумабай Нурбек Болатулы — магистрант естественных наук, лабораторный ассистент Национального центра биотехнологий, Астана, Казахстан.

Оркен Айсулу — магистрант биологических наук, лабораторный ассистент Национального центра биотехнологий, Астана, Казахстан.

Публикации и охранные документы научного руководителя и членов исследовательской группы, касающиеся темы проекта:

1. Dilnur Tussipkan, Vladislav Shevtsov, Malika Ramazanova, Aizhan Rakhimzhanova, Alexandr Shevtsov, and Shuga Manabayeva. Kazakhstan Tulips: Comparative Analysis of Complete Chloroplast Genomes of Four Local and Endangered Species of the Genus Tulipa L. Frontiers in Plant Science. DOI: 10.3389/fpls.2024.1433253, Volume 15 — 2024. Percentile in Scopus: 88%, 61/516-Plant Science; H-index: 216, Quartiles in Quartiles in Web of Science: Q1, Impact Factor in 2024: 4.1
2. GUBAIDULLIN, N., KALI, B., TUSSIPKAN, D., & MANABAYEVA, S. A. (2024). A promising strategy for conservation of endemic plant Euonymus koopmannii. Biodiversitas Journal of Biological Diversity, 25(7). Percentile in Scopus: 64; H-index: 27, Quartiles in Quartiles in Web of Science: Q3, Impact Factor in 2024: 1; Page 3114-3120.
3. Kali, B.; Bekkuzhina, S.; Tussipkan, D., Manabayeva, S. A First Approach for the In Vitro Cultivation, Storage, and DNA Barcoding of the Endangered Endemic Species Euonymus koopmannii. Plants 2024, 13, 2174. https://doi.org/10.3390/plants13162174, Percentile in Scopus: 86%, 96/721; H-index: 92, Quartiles in Quartiles in Web of Science: Q1, Impact Factor in 2024: 4, Page 1-15.
4. Sutula, Maxim, Ayan Kakanay, Dilnur Tussipkan, Samatulla Dzhumanov, and Shuga Manabayeva. 2024. «Phylogenetic Analysis of Rare and Endangered Tulipa Species (Liliaceae) of Kazakhstan Based on Universal Barcoding Markers» Biology 13, no. 6: 365. https://doi.org/10.3390/biology13060365; Percentile in Scopus: 85%, 33/221; H-index: 75, Quartiles in Quartiles in Web of Science: Q2, Impact Factor in 2024: 3.6, Page 1-17.
5. Abeuova L., Kali B., Tussipkan D., Akhmetollayeva A., Ramankulov Y., Manabayeva S. A. CRISPR/Cas9-mediated multiple guide RNA-targeted mutagenesis in the potato. Transgenic Research, 2023-06-18, journal-article, DOI: 10.1007/s11248-023-00356-8, Part of ISSN: 0962-8819, Percentile in Scopus: 94%, 27/456 , H-index: 89, Quartiles in Web of Science: Q3, Impact Factor in 2023: 3.145. Page 1-15.
6. Amirgazin A., Shevtsov V., Tussipkan D., Lutsay V., Ramankulov Y., Shevtsov A., and Manabayeva S. A, 2023, Characterization of the complete mitochondrial genome of the Indian crested porcupine (Hystrix indica). Animal Gene, 2023-03, journal-article, DOI:10.1016/j.angen. 2022.200144, Part of ISSN: 2352-4065, Percentile in Scopus: not applicable, H-index: 2, Quartiles in the DJR: Q4, Impact Factor in 2023: 1.21.
7. Tussipkan D. and Manabayeva S. A., 2022, Alfalfa (Medicago Sativa L.): Genotypic Diversity and Transgenic Alfalfa for Phytoremediation. Frontiers in Environmental Science, journal- article, Vol. 10, article number 828257, DOI: 10.3389/fenvs.2022.828257, Part of ISSN: 2296-665X, Percentile in Scopus: 78 (2022), Quartiles in Web of Science: Q2, H-index: 67, Impact Factor: 5.411. Scimago Journal & Country Rank: Q1.
8. Tussipkan D. and Manabayeva S. A. 2021, Employing CRISPR/Cas Technology for the Improvement of Potato and Other Tuber Crops. Frontiers in Plant Science, 2021-10-26, journal-article, Vol.12, article number 747476, DOI: 10.3389/fpls.2021.747476, Part of ISSN: 1664-462X, Percentile in Scopus: 88%, 54/487, H-index: 187, Quartiles in Quartiles in Web of Science: Q1, Impact Factor in 2023: 6.627, Page 1-16.
9. Qiu C. S., Stybayev G., Wang Y.., Begalina A., Hua L., Aliya Baitelenova, Guo Yuan, Arystangulov S., Hua K., Kipshakpayeva G., Zhao X. and Tussipkan D. Flax Varieties Experimental Report in Kazakhstan in 2019. Journal of Natural Fibers, 2020, Vol. 19, issue 6, page: 2356-2365 DOI: 10.1080/15440478.2020.1813674, Part of ISSN: 1544046X 15440478, Percentile in Scopus: 68%, 48/150, H-index: 47, Quartiles in the Web of Science: Q1, Impact Factor in 2023: 3.507.
10. Tussipkan D. Peng Zh., Pan Zh., Palanga K. K., Jia Y., Gong W. and Du X. Association Analysis of Salt Tolerance in Asiatic cotton (Gossypium arboretum) with SNP Marker //International Journal of Molecular Sciences, 2019-05-01, journal-article, Vol. 20, issue 9, article number 2168, DOI: 10.3390/ijms20092168, Part of ISSN: 1422-0067, Percentile in Scopus: 87%, 10/78, H-index: 230, Quartiles in Web of Science Q1, Impact Factor in 2023: 6.208.
11. Palanga. K.K., Muhammad J., Harun O. R., Gong J.W., Li J.W., Muhammad S., Iqbal, Liu A., Shang H., Shi Y., Chen T., Ge Q., Zhang Zh., Tussipkan D., Li W., Li P., GongW., and Yuan Y. Quantitative Trait Locus Mapping for Verticillium wilt Resistance in an Upland Cotton Recombinant Inbred Line Using SNP-Based High Density Genetic Map.  Frontiers in Plant Science, 2017-04-05, journal-article, Vol.8, article number 382, DOI: 10.3389/fpls.2017.00382, Part of ISSN: 1664-462X, Percentile in Scopus: 88%, 54/487, H-index: 187, Quartiles in Web of Science: Q1, Impact Factor in 2023: 6.627.
12. Makhmadzhanov S. P., Daurenbek N.M., Tagayev А.М., Asabaev B.S., Kostak О. А. Technological properties of indoselected samples of cotton varieties M-4011, M-4017 // Scientific and practical journal “Science and education” periodical publication of the Zhangir Khan West Kazakhstan Agricultural-Technical University of the MA RK. — Uralsk. — 2022. — № 2-1 (67). — С.140-149.DOI 10.56339/2305-9397-2022-1-2-140-149 (In Russian)
13. Makhmadzhanov S. P., Daurenbek N.M., Asabaev B.S. Achievements of cotton selection in Kazakhstan //Science bulletin of S.Seifullin Kazakh Agrotechnical University.. – Nur-Sultan. — 2022. — № 2(113) 1часть. — С.136-144.DOI: 10.1007/s13593-015-0313-2 (In Russian)
14. Makhmadjanov, S.P., Tokhetova, L.A., Daurenbek, N.M., Tagaev, A.M., Kostakov, A.K. Cotton Advanced Lines Assessment in The Southern Region of Kazakhstan (2023) Sabrao Journal of Breeding and Genetics, 55 (2), Page. 279-290.
15. A. Amalova, S. Abugalieva, V. Chudinov, G. Sereda, L. Tokhetova, A. Abdikhalyk and Y. Turuspekov. QTL mapping of agronomic traits in wheat using the UK Avalon × Cadenza reference mapping population grown in Kazakhstan. PeerJ, Vol.9. Page 1-25. doi: 10.7717/peerj.10733.
16. L. A. Tokhetova, S. I. Umirzakov, R. D. Nurymova, B. K. Baizhanova and G. B. Akhmedov. Analysis of Economic-Biological Traits of Hull-Less Barley and Creation of Source Material for Resistance to Environmental Stress Factors. International Journal of Agronomy, 2020, Vol.2020, DOI 10.1155/2020/8847753.
17. Karpova, O., Alexandrova A., Nargilova R., Ramazanova M., Kryldakov R., Iskakov B. ATDREB2A gene expression under control of the inducible promoter and virus 5’-untranslated regions improves tolerance to salinity in Nicotiana tabacum. International Journal of Biology and Biomedical Engineering, 2021-07-19, journal-article, DOI: 10.46300/91011.2021.15.32, Part of ISSN: 19984510, H-index:8, Quartiles in Scopus: Q4, Impact Factor in 2023: 0.14. Page 260–274.

Достигнутые результаты

2024 г.

Для эксперимента были отобраны семена *Gossypium hirsutum* (288 образцов) из казахстанской коллекции, полученные из ТОО «Сельскохозяйственная опытная станция хлопководства и бахчеводства и использованы в полевых и лабораторных исследованиях. Образцы были генотипированы с использованием платформы Axiom Cotton Genotyping Array, при этом было выбрано в общей сложности 35 550 SNP-маркеров. Среди них 30 264 являлись внутривидовыми маркерами, 7 392 — маркерами, основанными на консервации сайтов рестрикции, и 5 286 — маркерами, полученными из специфического набора *G. hirsutum* и *G. barbadense*. Кроме того, были полностью получены ключевые данные, такие как идентификатор Probe Set ID, Affy SNP ID, последовательности маркеров, направления 3’→5′ или 5’→3′, Аллель A, Аллель B и cust_id.

В соответствии с рабочим планом на 2024 год, фенотипические данные были собраны как в лабораторных, так и в полевых условиях. В лабораторных условиях образцы хлопчатника выращивались в полиэтиленгликоле 6000 (PEG 6000) при уровнях засухи 0% (контроль), 5%, 10%, 20%, 30% и 40%. Результаты исследования показали, что условия с 20% и 30% PEG 6000 были наиболее подходящими. Фенотипические данные были собраны по следующим признакам: процент прорастания семян (GP), длина и ширина гипокотиля (HL и HW), свежий вес (FW), высота растения (PH), сухая масса побегов (SDM), сухая масса корней (RDM), содержание хлорофилла (ChlC), малоновый альдегид (MDA) и содержание воды (WC).

Начальный биоинформатический анализ показал, что процент прорастания семян в контрольных условиях составил 95±2,24%. Полученные данные при стрессовых условиях были сопоставлены с контрольными условиями. При 5% PEG 6000 прорастание составило 86,7±2,11%, что показало снижение на 8,3%. При 10% PEG 6000 прорастание составило 78,3±7%, что привело к снижению на 16,7%. При 20% PEG 6000 прорастание осталось на уровне 86,7±2,11%, с уменьшением на 8,3%. При 30% PEG 6000 прорастание составило 76,7±3,3%, что указывает на снижение на 16,7%. При 40% PEG 6000 прорастание снизилось до 61,7%, что соответствует снижению на 33,3%.

В полевых условиях были собраны фенотипические данные, и начальный биоинформатический анализ классифицировал 288 образцов в четыре кластера. 40 образцов показали продуктивность в пределах 8,2–49,7%, что отнесло их к группе сильно чувствительных. 60 образцов имели продуктивность в пределах 50,2–69,9%, попав в группу чувствительных. 59 образцов продемонстрировали продуктивность 71,0–89,6%, что отнесло их к группе умеренно устойчивых. Наконец, 129 образцов показали продуктивность в пределах 90,8–100,0% и были классифицированы как высокоустойчивые.