Гентех

Проект № 5.ИП.21.0009 «Поиск генов устойчивости к абиотическим и биотическим стрессорам и создание стрессоустойчивых линий ячменя и люпина при помощи ионизирующих излучений и технологий редактирования генома», осуществляемого в рамках Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий на 2019–2027 годы (Соглашение с Минобрнауки России № 075-15-2021-1068 от 28.09.2021).

ФГБНУ ВНИИРАЭ стал победителем конкурса грантов в форме субсидий из федерального бюджета на реализацию отдельных мероприятий Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий на 2019-2027 годы с проектом «Поиск генов устойчивости к абиотическим и биотическим стрессорам и создание стрессоустойчивых линий ячменя и люпина при помощи ионизирующих излучений и технологий редактирования генома».

Грантом поддержаны исследования по получению продуктивных и устойчивых сортов ячменя обыкновенного и сортов люпина белого, устойчивых к антракнозу. Помимо фундаментальных и прикладных исследований, проектом будет поддержано глобальное обучение студентов, аспирантов и научных сотрудников на базе ФГБНУ ВНИИРАЭ современным методам биотехнологии растений и радиационным технологиям в растениеводстве.

Основной исполнитель: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии».

Соисполнители: Сколтех, ИАТЭ НИЯУ МИФИ, МРНЦ им. А.Ф. Цыба, ННГУ им. Н.И. Лобачевского, АНЦ «Донской», ВНИИ люпина.

Руководитель проекта: доктор биологических наук, заведующая лабораторией № 8 Волкова Полина Юрьевна.

С 01.08.2022 руководителем проекта назначена Бондаренко Екатерина Валерьевна, кандидат биологических наук, заведующая лабораторией № 8.

Проблемы, на решение которых направлен проект:

(1) Недостаточное взаимодействие РФ с МАГАТЭ по проблематике радиационных и генетических технологий в сельском хозяйстве.

(2) Низкая устойчивость возделываемых в полевых условиях видов люпина к фитопатогенам, вызывающим антракноз, особенно в условиях изменяющегося климата.

(3) Возвращение радиоактивно загрязнённых территорий в сельскохозяйственный оборот и очищение почвы от радионуклидов при помощи фиторемедиации.

(4) Необходимость в создании растений с повышенной устойчивостью к различным видам излучения для целей космической биологии.

Цель проекта: объединение подходов радиационных и генетических технологий для получения новых продуктивных и стрессоустойчивых сортов сельскохозяйственных культур.

В число научных задач входят:

(1) создать устойчивые к фитопатогенам линии люпина белого, являющегося перспективной заменой соевому белку для областей Центральной России;

(2) основываясь на ранее выявленных кандидатных генах, получить линии ячменя обыкновенного с повышенной урожайностью;

(3) выявить пути устойчивости ячменя к действию ионизирующего излучения разных видов (гамма-, нейтронное, электронное, протонное) и создать линии, пригодные к использованию в процедуре фиторемедиации загрязнённых радионуклидами территорий и являющиеся потенциальным исходным материалом для целей космической биологии.

Ожидаемые ключевые результаты. В долгосрочной перспективе создание устойчивых к антракнозу сортов люпина позволит получить источник качественного растительного белка для использования на пищевые и кормовые цели. Обладающие универсальной радиоустойчивостью сорта ячменя обыкновенного станут исходным материалом в работах по фиторемедиации радиоактивно загрязнённых территорий и космической биологии. Расшифровка механизмов радиационной стимуляции роста и создание на их основе сортов ячменя с повышенной продуктивностью позволят впервые найти широкое практическое применение хорошо известному, но нестабильному эффекту радиационной стимуляции роста и повысить урожайность ячменя обыкновенного. При реализации исследовательской программы будет подготовлено большое количество специалистов, способных внедрять радиационные и генетические технологии в сельское хозяйство РФ. На базе ФГБНУ ВНИИРАЭ появится новый центр развития генетических технологий в сельском хозяйстве, работающий в тесном контакте с Международным агентством по атомной энергии, которое ведёт совместную программу с Продовольственной и сельскохозяйственной организацией ООН (FAO) по использованию ионизирующих излучений для получения устойчивых и продуктивных сортов сельскохозяйственных культур. Появление новой точки притяжения в области генетических технологий в сельском хозяйстве усилит аграрную привлекательность Калужской и смежных областей и позволит эффективно использовать их агрономические ресурсы.

За первые три месяца выполнения проекта (2021-й год, Этап 1) были получены следующие научные и научно-образовательные результаты:

проведена валидация кандидатных генов радиационного гормезиса на нескольких сортах ячменя обыкновенного;
адаптированы протоколы получения каллусных культур ячменя обыкновенного и люпина белого;
в тестовых экспериментах подобраны дозы разных видов ионизирующих излучений для исследования радиорезистентности ячменя обыкновенного;
разработаны CRISPR-Cas9-конструкции для генетического редактирования ячменя обыкновенного;
проведены подготовительные работы для исследования устойчивости люпина белого к антракнозу;
разработана программа дополнительного профессионального образования «Физические и молекулярные методы в селекции растений» с участием ведущих специалистов в данной области;
разработан и реализован на базе ИАТЭ НИЯУ МИФИ курса «Основы омикс-технологий и биоинформатики»;
разработано Положение о проведении международной конференции молодых учёных по применению ядерно-физических и генетических технологий в сельском хозяйстве;
проведены стажировки молодых специалистов ФГБНУ ВНИИРАЭ на кафедре биофизики ННГУ им. Н.И. Лобачевского.

За 2022-й год (Этап 2) были получены следующие научные результаты:

осуществлено генетическое редактирование ячменя по генам гомологам CML39, AOS2, PM19L;
проведено тестирование в контролируемых условиях урожайности и устойчивости к засухе и солевому стрессу исходных сортов люпина и ячменя, контрастных по радиочувствительности;
проведен анализ транскриптома, протеома и метаболома устойчивых и чувствительных к антракнозу линий люпина на фоне фитопатогена C. lupini и в контрольных условиях;
идентифицированы кандидатные гены устойчивости к антракнозу у люпина белого;
разработаны CRISPR-Cas9 конструкции для проведения генетического редактирования культуры люпина белого;
для ускоренного размножения люпина, с учетом актуальных данных и с использованием современных технических средств, был разработан протокол ускоренной селекции;
проведен анализ транскриптома, протеома и метаболома ячменя после действия разных типов ионизирующих излучений и идентифицированы кандидатные гены радиоустойчивости ячменя к разным видам излучений;
выполнена адаптация протокола ускоренной селекции для ячменя обыкновенного.

По результатам выполненных работ были опубликованы 2 научные статьи:

1) Volkova, P.Y., Bondarenko, E.V., Kazakova, E.А. Radiation Hormesis in Plants. Current Opinion in Toxicology. 2022, 30:100334. DOI:10.1016/j.cotox.2022.02.007 (WoS, Scopus Q1).

2) Новик Н.В., Гераськин С.А., Якуб И.А. Влияние γ-облучения семян на внутрисортовую изменчивость количественных признаков люпина желтого. Радиационная биология. Радиоэкология, 2022, T. 62, № 6, стр. 620-628. DOI: 10.31857/S086980312206008X (Scopus).

Была подготовлена и направлена в патентное ведомство РФ заявка на получение патента на изобретение в области генетических технологий: «Набор олигонуклеотидных праймеров для генотипирования грибов видового комплекса Colletotrichum acutatum».

В рамках мероприятий по подготовке высококвалифицированных кадров:

реализована программа дополнительного профессионального образования «Физические и молекулярно-генетические методы в селекции растений», в рамках которой обучены 50 человек;
разработаны и реализованы курсы для студентов бакалавриата и магистратуры «Основы биотехнологии растений», «Генная инженерия растений» и «Молекулярно-генетические механизмы адаптации растений»;
проведено обучение по курсу «Основы омикс-технологий и биоинформатики», разработанному на первом этапе;
выполнено обучение 8 сотрудников в возрасте до 39 лет методам геномики, транскриптомики и метаболомики растений в ведущих российских научных организациях и образовательных организациях высшего образования;
два сотрудника в возрасте до 39 лет обучены процедуре геномного редактирования растений в рамках стажировки в Проектном центре агротехнологий Сколтеха;
шесть сотрудников в возрасте до 39 лет обучились методам современной биотехнологии на базе ФИЦ ИЦиГ СО РАН (г. Новосибирск);
проведены стажировки трех сотрудников по программе технического сотрудничества МАГАТЭ «RER5024 «Plant Mutation Breeding and Efficiency Enhancing Techniques to Increase Resilience to Climate Change», «Молекулярные методы улучшения урожая мутантных популяций»;
проведены научно-популярные лектории регионального масштаба по проблематике генетических технологий, проведена просветительская работа в области генетических технологий для более 300 человек очных участников и более 2300 онлайн слушателей;
ФГБНУ ВНИИРАЭ предоставил свою базу десятерым школьникам и студентам для выполнения собственных проектов по генетическим технологиям в сельском хозяйстве.

В рамках работы по организации и проведению научных конференций и школ для исследователей в возрасте до 39 лет в период с 18 по 21 октября 2022 г. проведена международная конференция для молодых ученых «Генетические и радиационные технологии в сельском хозяйстве». В работе конференции приняли участие около 250 молодых ученых и специалистов в возрасте до 39 лет, молодых докторов наук (до 45 лет) из России, Казахстана, Азербайджана, Японии и Бельгии.

В первый год выполнения проекта (2021) созданы три объекта инфраструктуры:

В 2022 году были созданы еще два объекта инфраструктуры:

Лаборатория масс-спектрометрии для проведения работ по анализу протеомов и метаболомов растений
Компьютерный класс для обучения основам биоинформатической обработки данных