Генонма динамика и стабилност – Хромозомни и ДНК маркери
Основно научно направление на лабораторното звено е разработването на високо-ефективни молекулярни маркерни системи за изучаване на различни аспекти от растителното генетично разнообразие. Набляга се на прилагането на молекулярни маркери, базирани на подвижните генетични елементи (ПГЕ) или транспозони като подход за изясняване на екологични и еволюционни теми, за проучване на влиянието на абиотични стресови фактори върху геномната стабилност, както и в частни случаи на генотипиране с приложение в селекцията. Крайната цел е по-добро разбиране на механизмите, обуславящи генетичното разнообразие при растенията и ролята на транспозоните в процесите на генетична дивергенция, адаптация и еволюция.
Подвижните генетични елементи представляват геномни ДНК участъци способни да се преместват от едно място в генома на друго на вида гостоприемник. Транспозоните са обикновено представени в голям брой копия по цялото протежение на еукариотния геном. Освен това ПГЕ притежават способността да отговарят на стимули от околната среда (вкл. биотични и абиотични стресови фактори) посредством процеси на активиране и транспозиция. Тези свойства обуславят възможността за използване на транспозоните като ефективни PCR-базирани мултилокусни маркери (Фиг. 1).
Фиг. 1. Схематично представяне на ретротранспозон-базирани маркерни методи SSAP, IRAP, REMAP и iPBS. При тези методи се използват PCR праймери, насочени навън от LTR крайните области на самите елементи, и намножаващи геномни участъци между транспозонови копия, както и такива между транспозонови копия и други съседни райони като SSR локуси или рестрикционни места. Тъй като профилите на интегриране на транспозоновите копия варират при различни генотипове, то броят и размерът на получените ампликони могат да бъдат използвани за отдиференциране на генотипи на вътре- и междувидово ниво, за измерване на генетично разнообразие и определяне на филогенетично родство.
Основни разработвани теми:
1. Екологични и еволюционни изследвания
Молекулярни механизми на одомошняване (domestication) и еволюция при житните
Изследванията имат за цел по-детайлното характеризиране на генетичното дивергенция в рамките на родовете Hordeum (H. spontaneum, H. Vulgare, H. agriocrithon) и Triticum (тетраплоидна пшеница T. turgidum var. turgidum, cartlicum, durum и polonicum) и изучаване на етапите на одомошняване и еволюция при тези видове. Като методологични подходи се използват транспозон-базирани методи (Bonchev et al 2017) и изчисляване на степента на генетична дивергенция на базата на псевдогени (аналози на структурни гени, но с частична или пълна загуба на функционална активност).
Фиг. 2. Изучаване на еволюцията при ечемика с помощта на REMAP маркери.
Геномна селекция по отношение на устойчивост към засушаване
Засушаването представлява в световен мащаб основна заплаха за производството на растителни хранителни ресурси и неговото влияние е особено актуално в условия на климатични промени. Това обуславя необходимостта от разработването и прилагането на съвременни ефективни селекционни подходи за създаването на нови сортове със стабилен и повишен добив в условия на засушаване. В тази връзка се провеждат експериментални дейности по проект (в рамките на партньорство с координатор Университет Комениус, Катедра Генетика, Факултет па естествени науки, Братислава, Словакия), насочен към прилагането на модерен високо ефективен методологичен подход – Геномна Селекция (ГС) за ускоряване на селекцията при пшеницата по отношение на устойчивост към засушаване. Целта е идентифицирането на локуси за различни количествени признаци, свързани с устойчивост към засушаване. Позходът включва широкомащабно DaRT секвениране на пшеничния геном, включващо приблизително 50 000 макера и селектиране на растителни генотипове от дихаплоидни линии за последващо тестване и използване като подходящи донори за сухоустойчивост в селекционната практика.
Начин на размножаване, генетично вариране и еволюция на ПГЕ при Arabidopsis lyrata
Начинът на размножаване е ключов биологичен фактор, влияещ върху генетичното разнообразие при живите организми както на ниво отделни индивиди, така и на популационно ниво и засяга параметри като ниво на хомозиготност, ектопична рекомбинация, генетичен дрейф и екологично разпространение. Бяха проведени експерименти по установяване на връзка между начин на размножаване (самоопрашване/кръстосано опрашване) и еко-географско разположение на естествени популации на вида Arabidopsis lyrata и генетичното разнообразие по отношение на 5 вида ПГЕ и механизмите на тяхна еволция (Bonchev and Willi 2018), Фиг. 3.
Фиг. 3. Вариране в начина на размножаване, генетично разнообразие и еволюция на транспозоните при популации Arabidopsis lyrata от Северна Америка (a); Степен на генетично вариране по отношение на ПГЕ на вътрепопулационно и междупопулационно ниво при Arabidopsis lyrata, установено чрез AMOVA анализ (b); Динамика на ПГЕ при два вида размножаване (самоопрашване/кръстосано опрашване) по параметри брой копия на индивид и алелна честота спрямо установено генетично разнообразие чрез микросателитен анализ (c); Генетична структура на популации A. lyrata по отношение на географско градиент на местообитание Изток-Запад (d).
2. Генотипиране и характеризиране на растителни ресурси с приложение в селекционната практика
Прецизното идентифициране/разграничаване на растителни ресурси е от особено значение за селекционерите за осигуряване на ефективно генетично сертифициране на използвания селекционен материал. Методите за генетично молекулярно маркиране предлагат надеждна възможност в този аспект, особено що се касае детектирането на вътревидово генетично разнообразие (напр. между сортове, хибриди и при сомаклонално вариране). B лабораторията се прилагат транспозон-базирани маркерни методи за генетично профилиране при широк набор от растителни видове като пшеница, ечемик, царевица, слънчоглед и родствени видове (Фиг. 4 и Фиг. 5).
Фиг. 4. Филограма, получена на основата на iPBS транспозонни маркери и отразяваща генетичното разтраничаване между сортове пшеница.
Фиг. 5. Генетично отдиференциране на представители от семейство Asteraceae (слънчоглед Helianthus annuus, Echinacea purpurea, Tagetes sp, Tithonia rotundifolia, Verbesina encelioides) и междуродови хибриди с помощта на iPBS маркери.
3. Оценка на влиянието на абиотични страсови фактори върху геномната динамика
Маркери, базирани на ретротранспозони, се прилагат рутинно в лабораторията за оценка на влиянието на абиотични стресови фактори като химични мутагени, йонизиращо облъчване, солеви стрес (Фиг. 6) и др. върху геномната стабилност при растенията като параметър за тяхната устойчивост.
Фиг. 6. Геномна динамика, свързана с ПГЕ при сортове ечемик (Devinya, Bozhin и IZ Bori) и индуцирана с различни концентрации NaCl.
