BR18574125 «Изучение современного состояния видового разнообразия сосудистых растений Казахстана с использованием современных методов ботаники, молекулярной генетики и биоинформатики»

Актуальность

Проблема сохранения и рационального использования биоразнообразия является актуальной в связи с растущими изменениями климата и антропогенным воздействием на экосистемы. Ратификация Казахстаном в 1994 г. Конвенции о биологическом разнообразии накладывает обязательства по сохранению генетического, видового и экосистемного разнообразия.

Исследования современного состояния флоры Казахстана проводятся только с использованием классических ботанических подходов. Современные технологии геномики, популяционной генетики, ДНК-штрихкодирования недостаточно широко применяются при исследовании биоразнообразия флоры. Значительная часть видов растений остается недостаточно изученной.

Cуществует множество нерешенных вопросов, связанных с выполнением обязательств в реализации Конвенции о биоразнообразии. Казахстанские растения не внесены в список исчезающих видов МСОП, не выполняются задачи по созданию доступных баз данных растений и их взаимодействии с Глобальным информационным фондом биоразнообразия (GBIF). Отсутствуют монографии региональных флор Казахстана, не актуализирована Красная книга флоры Казахстана, отсутствует единая национальная информационная база, не разработан цифровой гербарий зарегистрированных таксономических единиц.

Имеющиеся пробелы в реализации задач Конвенции о биоразнообразии указывают на необходимость внедрения стандартизированного мониторинга генетического разнообразия и инвентаризации флоры Казахстана с использованием не только методов современной ботаники, но и молекулярной систематики, ДНК-штрихкодирования и информационных технологий для выполнения обязательств, предусмотренных международной Конвенцией о биоразнообразии.

Цель

Изучение современного состояния видового разнообразия сосудистых растений, и монографическое издание региональных флор Мангистауской, Атырауской, Акмолинской, Костанайской, Карагандинской и Восточно-Казахстанской административных областей с учетом современной ботанической номенклатуры растений, электронных карт, баз данных и иллюстраций сосудистых растений.

Ожидаемые результаты

– проведен литературный обзор и составлены предварительные списки цветковых и высших споровых растений, в том числе редких, эндемичных, чужеродных, сорно-рудеральных и заносных таксонов с указанием их распространения по административным областям Казахстана (Западный, Центральный, Северный и Восточный Казахстан);

– разработаны научно-методологические подходы номенклатуры, классификации и таксономии растений с использованием современных флористических, молекулярно-генетических и биоинформационных исследований;

– разработаны маршруты и организованы экспедиционные выезды по изучению региональных флор Мангистауской, Атырауской, Акмолинской, Костанайской, Карагандинской и Восточно-Казахстанской областей в разные сезоны года;

– проведена инвентаризация и верификация видового состава высших сосудистых и споровых растений с использованием современных методов ботаники и молекулярной генетики, определены распространение и популяционная изменчивость видов с использованием молекулярно-генетических методов;

– проведена цифровизация отечественных гербарных фондов высших сосудистых и споровых растений Казахстана для систематизации и повышения эффективности взаимодействия с Глобальной информационной системой по биоразнообразию (GBIF);

– разработано программное обеспечение и создана электронная база данных по результатам флористических исследований и анализа гербарных фондов с использованием технологий ДНК-баркодинга и высокопроизводительного секвенирования для систематизации флоры исследуемых регионов;

– проведен анализ флористического состава и составлен конспект высших сосудистых и споровых растений административных областей Казахстана (Мангистауская, Акмолинская, Атырауская, Костанайская, Карагандинская и Восточно-Казахстанская области) с указанием таксономических, ареалогических, экологических и популяционно-генетических характеристик, жизненных форм, фитоохранного статуса, а также хозяйственной и ресурсной ценности;

– проведена международная научно-практическая конференция, семинары, тренинги по популяризации современных методов флористических и молекулярно-генетических исследований биоразнообразия, устойчивого использования и сохранения флоры Казахстана.

– разработаны предложения и рекомендации по созданию новых особо охраняемых природных территорий (ООПТ) на основании видового обилия редких растений локальных участков территорий с учетом рекомендаций МСОП с передачей в представительские органы, департаменты сельского хозяйства, экологии, охраны лесов и животного мира и др.;

– изданы монографии современных региональных флор административных областей Казахстана с подробным описанием таксономических, ареалогических, экологических характеристик, жизненных форм, фитоохранного статуса растений, хозяйственных свойств, выделением сорно-рудеральных и инвазионных таксонов растений (в книжном и электронном формате);

– получены свидетельства на объект авторского права на электронные варианты баз данных региональных флор сосудистых растений Казахстана и другую научно-техническую продукцию;

– осуществлена коллаборация с ведущими институтами ботанического профиля соседних государств, подготовка квалифицированных кадров;

– опубликованы не менее 3 (трех) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях по научному направлению программы, входящих в 1 (первый), 2 (второй) и (или) 3 (третий) квартиль по импакт-фактору в базе данных Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе данных Scopus не менее 50 (пятидесяти), не менее 3 (трех) статей или обзора в рецензируемом зарубежном или отечественном издании, рекомендованном КОКСОН.

Руководитель проекта

Манабаева Шуга Аскаровна. Индекса Хирша 5. ResearcherID Web of Science: A-2529-2015 ; https://publons.com/researcher/2449535/shuga-a-manabayeva/ ;

Члены исследовательской группы

Какимжанова Алмагуль Апсаламовна

Хапилина Оксана Николаевна

Шевцов Александр Борисович

Шевцов Владислав Александрович

Ишмуратова Маргарита Юлаевна

Тлеукенова Салтанат Ушкемпировна

Иманбаева Акжунис Алтаевна

Белозёров Иван Филаретович

Сумбембаев Айдар Айтказыевич

Данилова Алевтина Николаевна

Кобланова Сауле Абдулловна

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

  1. Tussipkan D., Manabayeva S.A. (2022). Alfalfa (Medicago Sativa L.): Genotypic Diversity and Transgenic Alfalfa for Phytoremediation. Frontiers in Environmental Science, 87.
  2. Tussipkan D., Manabayeva, S.A. (2021). Employing CRISPR/Cas Technology for the Improvement of Potato and Other Tuber Crops. Frontiers in Plant Science12.
  3. Abeuova L.S., Kali B.R., Rakhimzhanova A.O., Bekkuzhina S.S., Manabayeva Sh.A.  High frequency direct shoot regeneration from Kazakh commercial potato cultivars // PeerJ. –2020. Vol. 2020, Issue 7, 2020, Article number e9447. doi.org/10.7717/peerj.9447 Web of Science Q2, Corresponding author
  4. Zhumabek A.T., Rakhimzhanova A.O., Bekkuzhina S.S., Ramankulov Ye.M. and Manabayeva Sh.A. Somatic embryogenesis and plant regeneration from upland switchgrass cultivars // Research on Crops. — 2020. — Vol. 21(2), №34. — P.217-222. doi.org/10.31830/2348-7542.2020.059  IF=1.06, Web of Science Q4, Corresponding author Nurtaza A., Magzumova G., Yessimseitova A., Karimova V., Shevtsov A., Silayev D., Kakimzhanova A.* Micropropagation of the endangered species Malus niedzwetzkyana for conservation biodiversity in Kazakhstan // In vitro Cellular & Developmental Biology-Plant, 2021, — P. 1-12. (IF 2.1, Q2, Процентиль 70), https://www.webofscience.com/wos/woscc/full-record/WOS:000641219600003. DOI: 10.1007/s11627-021-10174-4
  5. Khapilina O, Turzhanova A, Danilova A, Tumenbayeva A, Shevtsov V, Kotukhov Y, Kalendar R 2021. Primer Binding Site (PBS) profiling of genetic diversity of natural populations of endemic species Аllium ledebourianum Schult.. BioTech, 10(4): 23. DOI:10.3390/biotech10040023 https://www.mdpi.com/2673-6284/10/4/23/htm Scopus CiteScore2020=3.6 SCR Q2 52th percentile
  6. Khapilina O, Raiser O, Danilova A, Shevtsov V, Turzhanova A, Kalendar R. 2021. DNA profiling and assessment of genetic diversity of relict species Allium altaicum Pall. on the territory of Altai. PeerJ, 9: e10674. DOI:10.7717/peerj.10674 https://peerj.com/articles/10674/ WoS IF2020=2.984 Q2; Scopus CiteScore2020=3.8 SCR Q1 83th percentile.
  7. Turzhanova A, Khapilina O, Tumenbaeva A., Shevtsov V, Raiser O, Kalendar R. 2020. Genetic diversity of Alternaria species associated with black point in wheat grains. PeerJ, 8: e9097 DOI:10.7717/peerj.9097 https://peerj.com/articles/9097/ WoS IF2020=2.984 Q2; Scopus CiteScore2020=3.8 SCR Q1 83th percentile.
  8. Kalendar R.N., Aizharkyn K.S., Khapilina O.N., Amenov A.A., Tagimanova D.S. 2017. Plant diversity and transcriptional variability assessed by retrotransposon-based molecular markers. Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 21(1): 128-134. https://doi.org/10.18699/VJ17.231.
  9. Raizer, O. B.; Khapilina, O. N.; Turzhanova, A. S.; Tagimanova, D. S.; Kalendar, R. N. 2020. Polymorphism of genes of antioxidant system enzymes in cultivated wheat species and wild-growing relatives.  Agrarian Bulletin of The on November 26, 2020  DOI:10.32417/1997-4868-2020-202-11-85-92 https://publons.com/publon/42417379/#:~:text=doi.org/10.32417/1997-4868-2020-202-11-85-92.
  10. Shevtsova, E., Vergnaud, G., Shevtsov, A., Shustov, A., Berdimuratova, K., Mukanov, K., Syzdykov, M., Kuznetsov, A., Lukhnova, L., Izbanova, U., Filipenko, Ramankulov, Y. Genetic diversity of Brucella melitensis in Kazakhstan in relation to world-wide diversity. Frontiers in microbiology 10 (2019): 1897. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.01897 Web of Science Q1.

Основные результаты

2023 г.

Проведен литературный обзор результатов флористических исследований Западного, Центрального, Северного и Восточного Казахстана. Составлены предварительные списки цветковых и высших споровых растений. Составлены предварительные списки видов флоры Атырауской области (592 вида), Мангистауской области (618 видов), Костанайской области (1002 вида), Акмолинской области (1116 видов) и Карагандинской (1279 видов). Наибольшим разнообразием видов растений отличается Восточно-Казахстанская область, флора которой представлена 2255 видами. Выявлены крупнейшие семейства, характерные для флоры исследуемых регионов: Asteraceae, Poaceae, Fabaceae, Rosaceae, Apiaceae, Ranunculaceae, Lamiaceae. Ведущие роды представлены Carex, Artemisia, Astragalus, Ranunculus, Allium. Разработаны научно-методологические подходы номенклатуры, классификации и таксономии растений с использованием современных флористических и молекулярно-генетических исследований в соответствии с Plants of the World Online (www.plantsoftheworldonline.org/). Для систематизации флоры исследуемых регионов разработаны протокола ДНК-баркодинга и высокопроизводительного NGS секвенирование на платформе Miseq (Illumina). Разработаны маршруты с учетом максимального охвата исследуемых территорий и проведены экспедиционные выезды для изучения видового разнообразия региональных флор и сбора образцов в разные сезоны вегетационного периода. В результате инвентаризации международных и отечественных гербарных фондов проанализированы более 9400 гербарных и 60216 цифровых листов, из которых 28 836 имеют географическую привязку к Казахстану. В результате данного анализа верифицированы 2489 видов.

Для верификации гербарных образцов сформирована ДНК коллекция 1000 видов растений используя различные методы ДНК экстракции. Для идентификации видовой принадлежности высших сосудистых и споровых растений методом ДНК-баркодирования применены общепринятые области генов matK, rbcL, rpoB, rpoC1 и спейсеров atpF–atpH, psbK–psbI, trnH–psbA, ITS (ycf1 гена) в качестве маркеров. В результате были отсеквенированы нуклеотидные последовательности 635 видов, депонированы в NCBI  1558 последовательности по трем и более маркерам. 

Проведено полногеномное секвенирование хлоропластных геномов следующих видов растений: Leuzea carthamoides (Chl2); Convallaria majalis L. (Chl 3); Rhodíola semenovii (Chl161); Malus niedzwetzkyana (Chl162); Artemisia glauca (Chl159); Juniperus pseudosabina (Chl1); Vítis vinifera (Chl172); Juniperus seravschanica (Chl160); Cousinia alata (Chl163) и депонированы в NCBI.

В результате изучения популяционной изменчивости с использованием iPBS-, SSR-маркеров и универсальных маркеров баркодирования выявлен дефицит уникальных аллелей по локусам ретротранспозонов и внутрипопуляционная изменчивость изученных видов, выявлены различные категории SNP и проведен анализ филогенетических связей.

В целях цифровизации гербарных фондов осуществлена регистрация на международной платформе GBIF Национального центра биотехнологии, Карагандинского университета имени академика Е.А. Букетова, Мангышлакского экспериментального и Алтайского ботанических садов. Опубликованы региональные списки флоры сосудистых растений, отдельных семейств и хозяйственно-ценных групп растений в формате Data Set на портале GBIF.

Выполнена комплексная настройка серверной инфраструктуры для цифровизации отечественных гербарных фондов. Проводится разработка веб-ресурса с использованием языка программирования C#, языка запросов GraphQL и системы управления базами данных PostgreSQL. Для оформления внешней оболочки веб-приложения использовался фреймворк (библиотека) Vue js v.3. База данных состоит из более 15 таблиц и доступна на локальном сервере.

Новизна полученных результатов заключается в том, что впервые с использованием современных и классических методов ботаники, молекулярной генетики и биоинформатики проведен анализ видового разнообразия сосудистых растений Казахстана, Впервые разрабатываются программное обеспечение и электронная база данных по результатам флорогенетических исследований, ДНК-штрихкодирования и NGS-секвенирования для систематизации флоры и повышения эффективности взаимодействия с Глобальной информационной системой по биоразнообразию (GBIF).

Список опубликованных работ в журналах, входящих в базу данных Web of Science и Scopus

  1. Terletskaya  N.V., Turzhanova A.S., Khapilina O.N., Kubentayev S.A., Kalendar R. Genetic Diversity in Natural Populations of Rhodiola Species of Different Adaptation Strategies // Genes -2023. – Vol.14(4), 794 // https://doi.org/10.3390/genes14040794 (IF: 3.5, Q2 Scopus: CiteScore Q2)

Список опубликованных работ, в журналах рекомендованных КОКНВО РК

  1. Пережогин Ю.В., Бородулина О.В., Ерохин Н.Г., Кубентаев С.А. Новые местонахождения видов рода Astragalus L. в Казахстане // Вестник Карагандинского университета. -2023. -N 2(110). — С.107-112. DOI https://doi.org/10.31489/2023BMG2/107-112 (КОКНВО)
  2. Пережогин Ю.В., Бородулина О.В., Ерохин Н.Г., Кубентаев С.А. Флористические находки на территории Казахстана // Вестник Карагандинского университета. — 2023. — N 3 (111). -С.138-146.  https://doi.org/10.31489/2023BMG3/138-146 (КОКНВО)

Список опубликованных работ, в материалах международных конференций стран ближнего зарубежья

  1. Туржанова А. С., Кубентаев С.А., Райзер О. Б., Тагиманова Д. С., Хапилина О.Н. Биоразнообразие казахстанских популяций Paeonia anomala L. по результатам PBS-профилирования // Сборник материалов международной научно-практической конференции «Достижения и перспективы создания новых лекарственн ых препаратов». — Москва, ФГБНУ ВИЛАР, 2023 г. — С.237-242. (конференция)
  2. Вдовина Т. А., Исакова Е. А., Лагус О. А. Физиологические основы процессов адаптации древесных видов в Алтайском ботаническом саду // Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии. —  2023. — N 1. — С.72-79. https://doi.org/10.14258/pbssm.2023013
  3. Данилова А.Н., Котухов Ю.А., Ануфриева О.А., Сумбембаев А.А. Оценка состояния популяции реликтового вида Lomelosia austroaltaica (Bobrov) Sojak во флоре Казахстанского Алтая // Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии. — 2023. — N 1. — С.118-122. DOI: https://doi.org/10.14258/pbssm.2023022
  4. Ишмуратова М.Ю., Шашков М.П., Иванова Н.В., Тлеукенова С.У. Гербарий Карагандинского университета им. Е.А. Букетова: текущее состояние оцифровки и перспективы развития // Тезисы докл. 2-ой Всероссийской конф. Коллекции как основа изучения генетических ресурсов растений и грибов, Санкт-Петербург, 2023. — С.23. (конференция)

Статьи и материалы конференций, опубликованные в отечественном издании

  1. Иманбаева А.А., Гасанова Г.Г., Тлепиева Г.Ш. Популяция редкого и исчезающего вида Сrataegus ambigua c.a. mey. в пустыни Мангистау // Ботанический журнал Казахстана. — 2023. —  N 3 (4). — C.48 -56.
  2. Данилова А. Н., Котухов Ю. А. К биологии Аllium altaicum (Аmaryllidaceae) в природе Казахстанского Алтая и в интродукции //Ботанический журнал Казахстана. — 2023. — N2(3). — С. 7-16. https://drive.google.com/file/d/1JMjFBIHsfaimtLJXyf3fQ-24JC8XI9hy/view
  3. Данилова А.Н., Исакова Е.А. Казахстанский Алтай как регион – донор растений интродуцентов // Матер. Междун. научно-практ. конф. «Современное состояние и перспективы развития ботанических садов и дендрариев Казахстана», посвященной 5-летию Астанинского ботанического сада. Астана, 2023. — С.32-35. ISBN 978-601-7511-63-0 (конференция)
  4. Данилова А.Н., Сумбембаев А.А., Котухов Ю.А., Ануфриева О.А., Токтар Б. К биологии Оxycoccus microcarpus (Еricaceae Juss.) – редкого вида флоры Восточно-Казахстанской области //Матер. Междун. научно-практ. конф. «Проблемы опустынивания территории Республики Казахстан и вопросы их решения». Алматы, 2023. — С.232–234.  ISBN 978-601-04-6453-7 (конференция)