В Новосибирске изучают гены пшеницы ради устойчивости посевов и пользы хлеба

К пшенице у нашего народа отношение особенное. Издавна считается, что если закрома полны зерна, то голод не страшен. А когда уборочная, как в прошлом году в Новосибирской области, под угрозой, стоит бить тревогу. Дожди, раннее похолодание или засуха, как сегодня, – все это влияет на всхожесть, рост, уборку и в результате урожайность. А еще в центре внимания качество семян, ведь оно не менее важно, чем количество.

Ученые помогают противостоять погодным катаклизмам

Ученые Института цитологии и генетики СО РАН на протяжении многих лет ведут исследования в этой области. О результатах можно было услышать на 15‑й Международной мультиконференции «Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология» BGRS/SB‑2026 в Новосибирске. Человеку неподготовленному разобраться в докладах и выступлениях довольно сложно. Поэтому «ЧС» обратился за комментарием к руководителю лаборатории геномной селекции растений ИЦиГ СО РАН, члену-корреспонденту РАН, профессору Елене Салиной.

Елена Артемовна много лет посвятила научным изысканиям в области растениеводства, вместе со своим коллективом достигла заметных результатов в генетике растений, в частности пшеницы. «Значимые прикладные работы в большей степени связаны с востребованностью у компаний, – отмечает она. – Основные усилия прилагаем в тех областях, где есть заинтересованность аграриев».

Случись авральная ситуация в сельском хозяйстве, тут же поступают заказы ученым. Так было в 2024 году, когда на полях Новосибирской области, Урала возникло чрезвычайное положение из-за прорастания пшеницы на корню. «Вы не представляете, какая это страшная картина, когда урожай гибнет на глазах, – рассказывает Елена Артемовна. – Благодаря работе наших ученых найдены методы воздействия, моделирования сроков вегетации, колошения. Это позволило заметно продвинуться в решении проблемы». Сейчас ученые готовы рассмотреть другие предложения, актуальные в засушливые сезоны. Особенно трудно выжить в засуху низкорослым сортам пшеницы. В Институте цитологии и генетики знают, как подойти к решению и этой задачи. Здесь выявили новые генетические локусы мягкой пшеницы, которые устойчиво связаны с ключевыми компонентами продуктивности. Работа направлена на создание молекулярных маркеров, которые помогут селекционерам быстрее получать новые высокоурожайные сорта.

Продуктивность мягкой пшеницы – один из главных, но самых сложных для селекции признаков. Она зависит одновременно от множества генов и от условий выращивания, из‑за чего результаты отдельных экспериментов часто плохо воспроизводятся в других климатических и агротехнических условиях. Команда ИЦиГ СО РАН поставила задачу найти именно те участки генома, которые стабильно проявляют действие на разном генетическом материале и при разных погодных условиях.

«Наша цель была выявить стабильные локусы, которые воспроизводятся в различных климатических условиях, и подобрать к ним маркеры для селекции сортов с лучшей продуктивностью», – объяснила научный сотрудник ИЦиГ СО РАН, кандидат биологических наук Антонина Киселева.

Ученые использовали несколько комплементарных подходов. Они провели QTL‑анализ двух картирующих популяций, полногеномный анализ ассоциаций на коллекции сортов с многолетними фенотипическими данными, а затем независимо проверили результаты на дополнительной выборке почти из 300 сортов мягкой пшеницы различного происхождения. Такой дизайн позволил отфильтровать случайные сигналы и выделить наиболее надежные участки генома. В итоге были обнаружены стабильные локусы на хромосомах, связанные с массой тысячи зерен, числом зерен в колосе и массой зерна с колоса.

Для наиболее перспективных локусов сотрудники ИЦиГ СО РАН разработали KASP‑маркеры, пригодные для практической селекции. В ходе независимой проверки три из них показали устойчивую связь прежде всего с массой тысячи зерен, а также с отдельными компонентами продуктивности и урожайностью в целом.

«Мы подтвердили, что как минимум три маркера стабильно ассоциированы с массой тысячи зерен – одним из ключевых признаков продуктивности мягкой пшеницы», – отметила Антонина Киселева. Эти маркеры можно использовать в программах маркер‑ассоциированной селекции для отбора перспективных растений уже на ранних этапах работы, сокращая сроки создания новых сортов.

Исследование имеет как фундаментальное, так и прикладное значение. С точки зрения базовой науки оно расширяет представления о генетической архитектуре урожайности пшеницы. С практической точки зрения подтвержденные KASP‑маркеры дают селекционерам инструмент для более точного отбора, снижая зависимость от многолетних полевых испытаний и погодных колебаний. Следующий шаг – расширенная проверка разработанных маркеров на более широком наборе сортов и линий в различных эколого‑географических условиях, а также поиск конкретных генов.

Одним из ключевых элементов работы стали биоинформатические методы. Ученые обработали большие массивы генотипических и фенотипических данных, построили генетические карты, провели QTL‑анализ и полногеномный анализ ассоциаций, сопоставив результаты разных подходов. «Недооценить роль биоинформатики в современной генетике растений невозможно: от фенотипирования до поиска генов‑кандидатов мы опираемся на биоинформатические методы», – подчеркнула Киселева. По ее словам, участие в конференции BGRS/SB‑2026 позволяет сопоставить свой опыт с результатами других групп, получить обратную связь и идеи для дальнейших исследований в области системной биологии и биоинформатики в селекции.

В свою очередь Елена Салина подчеркнула, что на конференции были представлены все научные школы, отрадно было видеть преобладание молодежи, от которой зависит будущее науки, а по большому счету урожайность на наших полях, качество семенного фонда.

Изучение продолжается. В приоритете – качество зерна

Российский научный фонд продлил финансирование проекта по изучению генетического разнообразия коллекций мягкой и твердой пшеницы. Цель – отбор материала, пригодного для селекции новых сортов с более высоким содержанием полезных минеральных элементов и лучшим качеством зерна.

Как объясняет руководитель проекта, ведущий научный сотрудник ИЦиГ СО РАН, доцент биологических наук Ирина Леонова, задача исследования – охарактеризовать коллекции мягкой и твердой пшеницы по содержанию минеральных веществ в зерне и качеству зерна в целом. Речь идет, прежде всего, о таких важных микроэлементах, как цинк и железо, дефицит которых связывают с анемией, когнитивными нарушениями и рядом хронических заболеваний. Ученые напоминают: значительную часть этих веществ человек получает именно из хлеба, булочных и макаронных изделий, поэтому важно, чтобы исходное зерно было богато полезными компонентами.

По словам Ирины Леоновой, ранее в селекции в первую очередь ориентировались на урожайность, и это нередко шло в ущерб качеству зерна. Сейчас акцент смещается к так называемому биообогащению или биофортификации – сознательному повышению содержания полезных веществ в сельскохозяйственных культурах за счет подбора и скрещивания нужных сортов. «Желательно, чтобы зерно, из которого делаются хлеб и макароны, уже содержало необходимые человеку минеральные вещества, витамины и т. п. Это и есть один из инструментов функционального питания», – объяснила исследователь.

В рамках первой части проекта команда Леоновой проанализировала две большие коллекции: твердой пшеницы и мягкой пшеницы, в которую входят как российские сорта, так и рекомбинантные линии, несущие фрагменты ДНК от дикорастущих сородичей. Ученые оценивали сортовое разнообразие и с помощью молекулярно‑генетических методов искали участки генома, связанные с повышенным содержанием цинка и железа в зерне. Были выделены так называемые локусы, в том числе пришедшие от диких видов, которые могут использовать селекционеры при создании новых сортов.

Продление гранта позволяет перейти к не менее важной задаче: оценке содержания в зерне токсичных тяжелых металлов, прежде всего кадмия. «Опасны любые тяжелые металлы. Но что касается свинца или хрома, уровень содержания можно регулировать агротехническими приемами. Для кадмия более важно найти генотипы, которые генетически снижают его накопление в зерне», – рассказала Ирина Леонова.

По российским сортам твердой пшеницы работы такого масштаба ранее никто не делал. За три предыдущих года ученые ИЦиГ проанализировали результаты по 188 сортам, высаженным на двух полях в Новосибирской и Самарской областях. В результате удалось собрать необходимую статистику и выделить образцы, у которых собственный геном влияет на снижение содержание кадмия – это наследуемый механизм, представляющий особый интерес для селекции.

Помимо выявления локусов, снижающих уровень кадмия, исследователи сосредоточатся также на генах, отвечающих за качество зерна твердой пшеницы, в первую очередь речь идет о белках – глиадинах и глютенинах, определяющих структуру и кулинарные свойства макаронных изделий. Российские сорта яровой твердой пшеницы по этому параметру до сих пор почти не изучались. «Важно, чтобы макароны были именно макаронами: сейчас чаще используют мягкую пшеницу, у которой другой белковый состав и хуже структура изделий», – пояснила Леонова.

Итогом пятилетней работы должна стать детальная характеристика отечественных коллекций твердой и мягкой пшеницы по содержанию белка, клейковины, минеральному составу и связанным с ними генам. На основе этих данных команда создаст маркеры – генетические «маячки», которые селекционеры смогут использовать в своей работе, осознанно выбирать материал для скрещивания под запрос будущего рынка функционального питания. Эти наработки в перспективе позволят сделать привычный хлеб и макароны одновременно более полезными и более безопасными для здоровья.