Экологическая генетика

Доместикация риса (Oryza sativa L.) как одной из пяти древнейших хлебных культур сопровождалась формированием «синдрома доместикации», включающего утрату естественного рассеивания семян, увеличение размеров и изменение окраски зерна, сокращение периода покоя и переход к однолетнему циклу. На основе археологических, физиолого-генетических и молекулярных данных обобщены механизмы, лежащие в основе ключевых агрономических признаков. Снижение осыпаемости связано с мутациями и аллельной диверсификацией локусов SH4, qSH1, SH5, SHAT1, CPL1, OsSh1 / ObSH3, ObSH11, NPC1, OSH15, GRF4 и OsLG1 / SPR3, которые регулируют закладку и деградацию отделительного слоя колосков. Размер зерна контролируется QTL GW2, GS3, GS5 и TGW6, определяющими клеточное деление и развитие эндосперма, что напрямую влияет на массу тысячи зерен и урожайность. Окраску перикарпия задаютгены Rc и Rd, а также кассета Kala1–Kala3–Kala4; структурные перестройки промотора Kala4 индуцируют эктопическую экспрессию bHLH-фактора и накопление антоцианов, тогда как делеция 14 п. н. в Rc перевела большинство сортов к белому типу зерна и впоследствии была функционально восстановлена методом CRISPR/Cas9. Совокупность представленных сведений формирует генетическую основу для направленного повышения урожайности, технологической пригодности и нутритивной ценности современных сортов риса.

Обоснование. Бобовые растения могут играть важнейшую роль при формировании высокопродуктивных пастбищных фитоценозов и обладают значительным потенциалом для интродукции в арктических регионах России с целью устойчивого развития северного животноводства. Одним из ключевых свойств бобовых является формирование взаимовыгодного азотфиксирующего симбиоза с клубеньковыми бактериями (ризобиями), что способствует фиксации атмосферного азота и обеспечивает растения доступными азотистыми соединениями, тем самым увеличивая продуктивность фито- и агроценозов. Остролодочник Чекановского (Oxytropis czekanowskii Jurtz.) — редкий субэндемичный вид многолетнего бобового растения, произрастающий в Якутии и на Таймыре.

Цель — создание коллекции и изучение таксономического биоразнообразия бактериальных эндофитов из порядка Hyphomicrobiales, выделенных из клубеньков дикорастущего многолетнего растения O. czekanowskii, произрастающего в Норильске (Красноярский край).

Материалы и методы. Ризобиальные штаммы были выделены из корневых клубеньков растений по стандартной методике с использованием маннито-дрожжевой питательной среды YMA после стерилизации клубеньков в течение1 мин в 96% этаноле. Таксономическое положение изолятов изучали с помощью секвенирования и филогенетического анализа последовательностей 16S рДНК и ITS-региона.

Результаты. Показано большое генетическое разнообразие изолятов, отнесенных к шести родам и четырем семействам порядка Hyphomicrobiales: Mesorhizobium (сем. Phyllobacteriaceae), Neorhizobium, Pararhizobium и Agrobacterium (сем. Rhizobiaceae), Bosea (сем. Boseaceae) и Tardiphaga (сем. Bradyrhizobiaceae). На основании анализа генов 16S рРНК и ITS-региона изоляты P10/4-1 и P10/5-2 были отнесены к виду Neorhizobium vignae, изоляты P10/1-1 и P10/5-1 —к виду Pararhizobium herbae, тогда как изолят P10/3-1 был идентифицирован как Mesorhizobium qingshengii. При этом штаммы Bosea sp. P10/2-3, P10/1-3 и P10/4-4, показавшие низкий уровень сходства с ближайшим типовым штаммом, потенциально могут быть отнесены к новому виду микроорганизмов.

Заключение. Таким образом, дикорастущие северные бобовые являются уникальным источником ценных генетических ресурсов клубеньковых и эндофитных бактерий, перспективных при создании высокопродуктивных многолетних пастбищных и сенокосных злаково-бобовых фитоценозов в экстремальных почвенно-климатических условиях Арктики.

Обоснование. Бактерии рода Lactobacillus, обладающие рядом положительных свойств на организм человека,являются перспективным источником создания компонентов функционального питания. Оценка антимутагенной активности лактобацилл позволит использовать препараты на их основе для предотвращения последствий генетически активных факторов окружающей среды.

Цель — сравнительный анализ антимутагенного потенциала четырех штаммов бактерий рода Lactobacillus.

Материалы и методы. В работе были использованы четыре штамма бактерий Lactobacillus casei 3184, L. casei МБ, L. plantarum АВ, L. plantarum В578. Оценку антимутагенной активности суспензии живых клеток и супернатанта культуральной жидкости лактобацилл проводили с использованием теста Эймса.

Результаты. Супернатант штамма L. plantarum В578 в стационарной фазе роста наиболее эффективно подавлял мутагенное действие азида натрия (45,6%) и 2-нитрофлуорена (43,5%). У штаммов L. casei 3184 и L. plantarum АВ антимутагенная активность более выражена для суспензии живых клеток в экспоненциальной фазе роста в отношении азида натрия (40,8 и 39,9% соответственно) и для супернатанта в стационарной фазе роста в отношении 2-нитрофлуорена (39,8 и 37,5% соответственно). Штамм L. casei МБ не оказывал существенного влияния на эффект известных мутагенов: антимутагенная активность всех исследованных образцов для данного штамма в разные фазы роста варьировала от 15,9 до 23,4% в отношении азида натрия и от 15,6 до 28,5% в отношении 2-нитрофлуорена.

Заключение. Анализ полученных результатов позволяет предположить, что антимутагенное действие штаммовL. casei 3184 и L. plantarum АВ в отношении азида натрия обусловлено прямым связыванием мутагена клетками лактобацилл, а штамма L. plantarum В578 — экзометаболитами, накапливающимися в культуральной жидкости в стационарной фазе роста культуры. Снижение мутагенного эффекта 2-нитрофлуорена штаммами L. casei 3184, L. plantarum АВ и L. plantarum В578 также может быть обусловлено прямым связыванием мутагена, ингибированием ферментов биотрансформации данного соединения и антиоксидантным эффектом экзометаболитов штаммов лактобацилл. Полученные данные подчеркивают зависимость антимутагенного потенциала лактобацилл от фазы роста культуры и природы мутагенного фактора и свидетельствуют о перспективности использования штаммовL. plantarum В578, L. casei 3184 и L. plantarum АВ для снижения негативных эффектов генотоксичных агентов.

В работе представлены данные исследований кишечной микробиоты свиней, играющей ключевую роль в поддержании здоровья и физиологии животных. В обзоре обобщены экспериментальные данные, полученные разными группами исследователей о влиянии таких параметров, как возраст, тип диеты и использование антибиотиков, на состав и функциональную активность кишечной микробиоты свиней и их вклад в распространение генов антибиотикорезистентности в условиях животноводства. Особое внимание уделено формированию и динамике состава микробиоты поросят в неонатальном периоде. Рассмотрено влияние различных типов диеты на состав и функциональную активность кишечной микробиоты свиней, в том числе на экспрессию генов гликозидгидролаз и гликозилтрансфераз и возможности модулирования состава микробиоты посредством диеты, что может минимизировать последствия стресса при отъеме и повысить продуктивность животных. Представляет интерес роль кишечной микробиоты в метаболизме аминокислот, витаминов, липидов и желчных кислот, а также функциональной метагеномике микробного сообщества, позволяющей выявлять гены, связанные с адаптацией к различным типам рациона и патологическим состояниям. В обзоре также рассматривается роль свиней в распространении генов антибиотикорезистентности, в том числе с использованием метагеномного и метатранскриптомного профилирования, а также риски, связанные с их попаданием в окружающую среду, и потенциальное воздействие на здоровье животных и человека.

Обоснование. Экстрапарное отцовство — распространенное явление среди птиц, когда птенцы не являются потомками самца, входящего в сформированную репродуктивную пару. Это ставит под сомнение наличие строгой моногамии и вносит коррективы в понимание процессов полового отбора и репродуктивных стратегий. В то время как экстрапарное отцовство неоднократно регистрировали у таких видов, как пеночка-весничка, его распространенность у близкородственной пеночки-трещотки остается малоизученной.

Цель — выявление случаев экстрапарного отцовства в популяции пеночки-трещотки в Псковской области (Северо-Запад России).

Материалы и методы. В ходе полевой работы было собрано 124 образца ДНК (27 взрослых самцов, 14 взрослых самок и 83 птенца из 14 семей). Для оценки экстрапарного отцовства использованы три микросателлитных локуса(Ase5, Ase18, Ase27), подходящих для работы с исследуемой популяцией.

Результаты. Среди 14 социально моногамных семей экстрапарное отцовство было обнаружено в одном выводке: два птенца из пяти (40%) не являлись потомками самца-хозяина гнезда. Общая частота составила 2,5%, а в 7,1% гнезд обнаружено экстрапарное потомство. Эти показатели значительно ниже, чем в Центральной России, где частота экстрапарного отцовства у данного вида достигает 25%, а экстрапарное потомство встречается в 41% гнезд. Однако из-за малого числа использованных маркеров к полученным результатам следует относиться с осторожностью. Они являются предварительными и требуют дальнейших исследований.

Заключение. Более низкая частота экстрапарного отцовства в популяции пеночки-трещотки в Псковской области может быть связана с низкой плотностью гнездования и меньшим числом холостых самцов. Нельзя исключать и заниженную оценку экстрапарного отцовства в результате использования недостаточно большого числа маркеров. Для более полной оценки распространенности экстрапарного отцовства у этого вида и выявления экологических и поведенческих факторов, влияющих на его проявление, необходимы дальнейшие исследования в разных регионах.

Обоснование. Вирус Y картофеля (PVY) — один из наиболее распространенных РНК-вирусов растений, обладающий большим кругом хозяев как культурных, так и дикорастущих растений разных семейств. PVY существует в виде комплекса штаммов, которые образуют многочисленные рекомбинантные варианты. Изучение генетического разнообразия PVY осложнено тем, что стандартные методы диагностики на основе иммуноферементного анализа и полимеразной цепной реакции в лучшем случае способны выявить штаммовую группу, но не конкретный рекомбинантный вариант. Фактически, только высокопроизводительное секвенирование транскриптомов зараженных растений позволяет определить последовательности вирусных геномов и описать рекомбинантные варианты. Однако использование такого подхода ограничивается относительно высокой стоимостью анализа одного образца, что не позволяет изучать большие выборки растений.

Цель — разработать подход для более массового изучения штаммового разнообразия вируса Y картофеля.

Материалы и методы. Из образцов листьев картофеля была выделена тотальная РНК и синтезирована кДНКс помощью различных обратных транскриптаз. Амплификация генома PVY проводилась с несколькими различными ДНК-полимеразами. Полученные ампликоны использовали для приготовления библиотек, которые секвенировались на приборе MinION. Прочтения картировали на референс и проводили SNP-сalling для выявления разных изолятов PVY.

Результаты. Оценена возможность использования различных обратных транскриптаз и ДНК-полимераз для амплификации фрагмента генома PVY размером 9 кб для последующего секвенирования. Среди исследованной выборки обнаружено 10 изолятов, относящихся к пяти разным рекомбинантам, три из которых относятся к известным и распространенным вариантам, а два выявленных рекомбинантных варианта ранее не были описаны. Один, N-Wi(s), похож на N-Wi, но точка рекомбинации в гене белка Hc-Pro смещена в 5'-сторону и совпадает со штаммом NO-short. Второй, SYR-IIa, похож на штамм SYR-II, однако точка рекомбинации в гене NIb смещена примерно на 50 нуклеотидов в 5'-конец.

Заключение. Разнообразие рекомбинантных вариантов PVY является недооцененным, так как даже в небольшой исследованной выборке было обнаружено два новых варианта. Разработанный протокол позволяет проводить исследования штаммового разнообразия вируса Y картофеля. Преимущества подхода состоят в том, что одно прочтение вмещает весь геном, что позволяет однозначно идентифицировать рекомбинантный вариант, а его невысокая себестоимость позволяет увеличивать выборки при анализе биоразнообразия.

Биоинформатика — это быстро развивающаяся дисциплина на стыке биологии, информатики и математики. Научно-технический прогресс в области биологических и биомедицинских наук за последние годы привел к стремительному росту объемов данных. Для анализа и интерпретации больших данных нужны мощные вычислительные инструменты и специалисты с глубокими знаниями в различных областях, включая молекулярную биологию, генетику, программирование и математику. В настоящее время происходит стремительная интеграция методов машинного и глубокого машинного обучения в различные области биологии и медицины, что в существенной степени меняет формат биоинформатических решений и позволяет говорить о наступлении новой эры в биоинформатике. Разработка новых алгоритмов и способов эффективного анализа данных с использованием искусственного интеллекта является основой для будущего развития этой области. В этой связи спрос на специалистов, способных преодолеть разрыв между биологическими и математическими дисциплинами, продолжает расти, что требует соответствующей адаптации учебных программ. В статье рассматриваются последние тенденции в биоинформатике, такие как развитие мультиомиксных подходов и использование искусственного интеллекта, а также подчеркивается важность многопрофильного образования с углубленным обучением в области математики и статистики для подготовки нового поколения ученых, способных стимулировать инновации в этой динамичной области науки.