Информация по проекту АР 23488044 «Снижение содержания кремния методами селекции и молекулярных маркеров в кормовой массе у растений пастбищного вида ломкоколосник ситниковый (Psathyrostachys juncea)»

Актуальность: наиболее востребованной пастбищной культурой в Казахстане является ломкоколосник ситниковый (Psathyrostachys juncea). Однако растения данного вида имеют высокое содержание кремния в пастбищной массе (зеленых листьях и стеблях), что является огромной проблемой для поедания их животными, т.к. травмирует язык и ротовую полость. В этой связи, возникла острая необходимость в создании форм ломкоколосника с низким содержанием кремния.

Цель проекта Изучить генетическую коллекцию и гибридные популяции Psathyrostachys juncea и выявить генотипы с низким содержанием кремния и высоким качеством кормовой массы. Разработать и использовать молекулярные маркеры для проведения генотипирования изучения образцов ломкоколосника по аллелям потенциального гена, контролирующего запасание и транспортировку кремния.

Ожидаемые результаты:

За 2024 год- Будет приведен скрининг генетической коллекции ломкоколосника ситникового(Psathyrostachys juncea) по содержанию кремния – 70 образцов.В результате ранжировки будут выделены наиболее перспективные образцы с низким содержанием кремния в кормовой массе растений. Будет определено качество корма в разные фазы вегетации растений, установлены содержание макроэлементов-азота, фосфора, калия, магния, содержание сырых веществ-протеина, жира, золы, клетчатки. Будет показана нейтрально-детергентная и кислотно-детергентная клетчатка, лигнин. Будет определена зоотехническая ценность (содержание кормовых единиц и обменной энергии) кормовой массы и ее аминокислотный состав, лимитирующие аминокислоты, установлены взаимосвязи между химическими составляющими. Будут заложены питомники гибридизации и поликросса ломкоколосника, проведены скрещивания на изолированных участках для создания гибридов и сложно-гибридных популяций с низким содержанием кремния, а также будет заложен питомник изучения гибридов поколений F₁-F_2- 10-15 образцов. В полевых опытах будет проведен уход за посевами, фенологические наблюдения, получены гибриды и сложно-гибридные популяции ломкоколосника с высокой урожайностью зеленой массы и низким уровнем содержания кремния. У растений гибридов поколений F₁-F₂ будут проведены фенологические наблюдения, учет урожая зеленой массы, оценка засухоустойчивости, а также анализ содержания кремния. В результате будет проведен отбор наиболее перспективных генотипов ломкоколосника с низким содержанием кремния и высоким качеством кормовой массы. Будет проведен биоинформатический анализ гена Lsi1, контролирующего запасание и транспортировку кремния в зеленой массе растений ломкоколосника. Будут разработаны праймеры и проведено секвенирование по Сэнгеру продуктов ПЦР амплификации у различных генотипов ломкоколосника. Будут выделены SNP, разработаны и адаптированы молекулярные SNP-маркеров ASQ для анализа гена Lsi1 у изучаемых генотипов.

За 2025 год- Будет продолжено определение качества корма в разные фазы вегетации растений первого года жизни, установлены содержание макроэлементов-азота, фосфора, калия, магния, содержание сырых веществ- протеина, жира, золы, клетчатки. Будет представлена нейтрально-детергентная и кислотно-детергентная клетчатка, лигнин. Будет определена зоотехническая ценность (содержание кормовых единиц и обменной энергии) кормовой массы и ее аминокислотный состав, лимитирующие аминокислоты, установлены взаимосвязи между химическими составляющими.На втором году жизни растений в питомниках гибридизации и поликросса ломкоколосника будут проведены скрещивания на изолированных участках для создания гибридов и сложно-гибридных популяций с низким содержанием кремния, а также в питомниках изучения ранее полученных гибридов поколений F₁-F₂. Будет проведен уход за посевами, фенологические наблюдения, получены гибриды и сложно-гибридные популяции ломкоколосника с высокой урожайностью зеленой массы и низким уровнем содержания кремния. В результате будет проведен отбор наиболее перспективных генотипов ломкоколосника с низким содержанием кремния и высоким качеством кормовой массы.

За 2026 год- На третьем году жизни растений будет завершена оценка качества пастбищной массы в разные фазы вегетации, установлены содержание макроэлементов-азота, фосфора, калия, магния, содержание сырых веществ- протеина, жира, золы, клетчатки. Будет представлена нейтрально-детергентная и кислотно-детергентная клетчатка, лигнин. Будет определена зоотехническая ценность (содержание кормовых единиц и обменной энергии) пастбищной массы и ее аминокислотный состав, лимитирующие аминокислоты, установлены взаимосвязи между химическими составляющими.На третьем году жизни в питомниках гибридизации и поликросса ломкоколосника проведены скрещивания на изолированных участках для создания гибридов и сложно-гибридных популяций с низким содержанием кремния, а также в питомнике изучения ранее полученных гибридов поколений F₁-F₂. В полевых опытах будет проведен уход за посевами, фенологические наблюдения, получены гибриды и сложно-гибридные популяции ломкоколосника с высокой урожайностью зеленой массы и низким уровнем содержания кремния. У растений гибридов поколений F₁-F₂ будут проведены фенологические наблюдения, учет урожая зеленой массы, оценка зимостойкости, засухоустойчивости, устойчивости к болезням и вредителям, а также анализ содержания кремния. В результате будет проведен отбор наиболее перспективных генотипов ломкоколосника с низким содержанием кремния и высоким качеством кормовой массы. Будет создан и проанализирован новый селекционный материала ломкоколосника ситникового (Psathyrostachys juncea) на основе генотипирования SNP и с применением молекулярных маркеров.

Будут проведены окончательные полевые испытания выделенных наиболее удачных и перспективных генотипов ломкоколосника по комплексу признаков кормовых культур, пригодных для выращивания в условиях различных регионов Северного Казахстана. Будет подана заявка на выдачу патента на полезную модель.

Публикация 2 (двух) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в Science Citation Index Expanded и входящих в 1 (первый) и (или) 2 (второй) квартиль по импакт-фактору в базе Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 70 (семидесяти).

Достигнутые результаты:

За 2024 год- Проведен скрининг генетической коллекции ломкоколосника ситникового(Psathyrostachysjuncea).По содержанию кремния изучено 70 образцов. Определено содержание кремния в кормовой массе образцов при высоте пастбищного травостоя 30-40 см в пределах 1,04-3,79% и в фазу полного колошения 1,09-3,59%.Выделены 32 генотипа, характеризующиеся низким содержанием кремния 1,04-1,89% при среднем уровне по коллекции 2,22%. Наиболее низким содержанием кремния характеризовались образцы коллекции К-43935 -1,04%, К- 43934-1,43-1,47%, К- 44982-1,59%, а также ранее созданные гибридные формы КЛ-1812 (1,62%), КЛ -1805 (1,67%), 1810 (1,69%).Максимальный уровень содержания кремния в пастбищной массе коллекционных образцов составлял 3,79%. Определено качество кормовой массы в разные фазы вегетации растений.Установлено содержание макроэлементов при высоте пастбищного травостоя 30-40 см и в фазу полного колошения растений: содержание азота по генотипам варьировало соответственно от 2,37% до 4,11% и 1,43% до 3,01%.Содержание фосфора изменялось в пределах 0,21-0,38%, магния-0,25-0,46%, калия-1,72-4,57% независимо от фазы развития.Выделены 12 образцов ломкоколосника ситникового с высокими показателями содержания макроэлементов.

В результате зоотехнической оценки качества корма максимальные результаты получены при высоте травостоя 30-40 см- содержание сырых веществ-протеина 14,84%-25,71%, жира-1,97%-3,87%, золы-8,10%-12,14%, клетчатки-21,05%-28,03%, каротина - 48,60-89,33 мг/кг, безазотистых экстрактивных веществ-34,89%-46,04%. Определена зоотехническая ценность кормовой массы - обменная энергия составляла 9,95-11,48 мДж, содержание кормовых единиц -0,805-1,018 кг/кг.

В фазу полного колошения содержание сырого протеина по изучаемым образцам находилось в числовом диапазоне 8,61%-14,35%, сырой клетчатки- 25,47%-35,22%, сырой золы- 6,47%-10,46%, сырого жира- 1,11%-3,13%.

Представлены данные по содержанию нейтрально-детергентной (НДК) (42,64-55,06%) и кислотно-детергентной (КДК) (18,36-25,24%) клетчатки, кислотно-детергентного лигнина (КДЛ) (0,74-4,50%), целлюлозы (40,72%-54,10%) и гемицеллюлозы (22,20%-32,18%) в кормовой массе пастбищного травостоя. Показателем качества НДК в корме является удельный вес в ней кислотно-детергентной клетчатки. Чем выше уровень КДК, тем ниже переваримость и в целом качество НДК и, как следствие, ниже потребление сухого вещества корма, с низкими показателями КДК (18,36%-19,90%) выделены 5 генотипов.

Определение аминокислотного состава белков пастбищной массы ломкоколосника ситникового (Psathyrostachysjuncea) показало, что первыми лимитирующими кислотами являются лейцин+ изолейцин, второй-гистидин и третьей-лизин, аминокислотный скор (отношение количества незаменимых аминокислот к количеству этой же аминокислоты в идеальном белке) которых в среднем составил 49%, 67%, 86% соответственно. Наиболее сбалансированными по аминокислотному составу выделены образцы КЛ-1806, КЛ-1807, К-40193, К-43934. Аминокислотный состав белка кормовой массы сбалансирован по аминокислотам фенилаланину, тирозину и треонину (142-213%). Установлены: тесная корреляционная связь между содержанием сырого протеина и фосфора r=0,70, сырого протеина и калия r=0,56, сырого протеина и магния r=0,62, средние корреляционные связи между содержанием кремния и содержанием сырой золы r=0,67, кремния и содержанием кислотно-детергентного лигнина r=0,55. Определена средняя отрицательная связь между содержанием сырого жира и показателями НДК, КДК, гемицеллюлозы и целлюлозы, где коэффициент корреляции r варьировал от -0,40 до -0,53. На стационаре научно-производственной бригады ТОО «НПЦЗХ им. А.И. Бараева» с 1 по 5 мая 2024 г. на южном карбонатном черноземе были заложены питомники ломкоколосника ситникового (Psathyrostachysjuncea): гибридизации 9 комбинаций скрещиваний и питомник поликросса с низким содержанием кремния в кормовой массе, проведеныскрещивания с целью получения гибридов и сложно-гибридных популяций. Также был заложен питомник изучения гибридов первого (F₁) и второго (F₂) поколений и их родительских форм - 23 образца. Образцы ломкоколосника изучались по хозяйственно-ценным признакам: высоте, урожайности пастбищной массы, урожайности сухого вещества, мощности развития растений, засухоустойчивости, устойчивости к болезням и вредителям. Изучение проходило при учете агроклиматических условий Северного Казахстана, наблюдения и учеты проводилось в соответствии с методическими указаниями по селекции многолетних трав ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса. Проведены фенологические наблюдения за развитием растений ломкоколосника ситникового по срокам прохождения основных фенофаз (отрастание - колошение, цветение, созревание семян). Весеннее отрастание ломкоколосника ситникового отмечено – 16-17 апреля, фаза колошения – 13-14 июня, цветение – 21-23 июня, созревание – 20-21 июля. Межфазный период вегетации от начала весеннего отрастания до колошения ломкоколосника ситникового составлял 45 дней, отрастание – цветение – 57-28 дней, отрастание - созревание семян – 94дней, что на уровне среднемноголетних показателей, получены семена гибридов. По наступлению основных фаз развития существенных различий между изучаемыми образцами не отмечено.Проведена визуальная оценка растений по мощности развития растений, засухоустойчивости, устойчивости к болезням и вредителям. Оценка засухоустойчивости показала, что изучаемые образцы обладают высокой засухоустойчивостью - 4,8-5,0 баллов. Мощность развития растений – отличная. Изучена вредная энтомофауна на растениях ломкоколосника ситникового. Выявлен комплекс доминантных вредителей на ломкоколоснике ситниковом - шведская муха, трипс. В 2024 году на данной культуре из выявленных видов насекомых, не один вид не превысил экономический порог вредоносности. Хотя в 2024 году в мае и августе были обильные дожди, на растениях ломкоколосника болезней не наблюдалось. Урожайность пастбищной массы учитывалась при формировании травостоя высотой 30-40 см (имитация стравливания). Высота растений ломкоколосника была перед укосом 30 - 43 см. По урожайности пастбищной (зеленой) массы и сухого вещества выделилось 16 образцов. Наибольшую урожайность показали 8 образцов, превысившие стандарт с. Шортандинский (574,8 г/м² и 195,5 г/м²) на 0,7 – 51,8% по пастбищной массе и на 0,7-52,6% по сухому веществу, по урожайности семян выделилось 19 образцов, превысившие стандарт (13,4 г/м²) на 0,7-56,7%. Сухое вещество пастбищной массы ломкоколосника ситникового составляло от 88,93-89,30%, максимальные данные получены у 20 образцов. Урожайность кормовой пастбищной массы гибридных форм Psathyrostachysjunceaизменялась от 334,0 до 590,3 г/м², сухого вещества от пастбищной массы 100,2-177,1 г/м². Наиболее урожайными были ранее созданные гибридные формы с низким содержанием кремния КЛ-1812 (1,62%), КЛ-1810 (1,69%), КЛ- 1809 (1,77%) и образцы коллекции К43935 и К43934. Получены новые гибриды с низким содержанием кремния.Проведен биоинформатический анализ генов Lsi1 (Low-silicon-1) и Lsi2 (Low-silicon-2), контролирующих запасание и транспортировку кремния в зеленой массе растений ломкоколосника. При сравнении сиквенсов были выбраны наиболее удобные фрагменты на основе генома мягкой пшеницы, т.к. по литературным данным между ломкоколосником и пшеницей отмечено некоторое сходство по многим генам. Кодирующие районы гена Lsi2 достаточно консервативны и шансы для получения амплификации генов ломкоколосника с помощью праймеров, разработанных на основе сиквенсов данных генов у пшеницы, были довольно высоки. В результате разработана серия праймеров: TaLsi2-F1R1seq, TaLsi2-F2R2seq и TaLsi2-F3R3seq,по которым было проведено секвенирование по Сэнгеру продуктов ПЦР-амплификации по гену Lsi2 у различных генотипов ломколосника. Для секвенирования использовали проверенные на геле и очищенные фрагменты амплификации ПЦР с праймерами Lsi2-3F и Lsi2-3R. Размер амликона – 637 п.н. Проведен сравнительный анализ получененной нуклеотидной последовательности изучаемых фрагментов генов с использованием программы Clustal. В качестве аннотированного генотипа с полностью секвенированным геномом использовали фрагмент сиквенса сорта Bradi1G45200. Сравнение сиквенсов различных генотипов ломкоколосника позволило идентифицировать SNP. По гену Lsi2 у восьми проверенных генотипов распределение аллелей SNP [C] и [T] было достаточно равномерным. Однако, между генотипами Shortan-1 (w-13257) и PI-406468-Bozoi-1 (w-13128) были выделены различия по SNP.Молекулярный анализ генов-кандидатов Lsi1 и Lsi2 на данном этапе начали с разработки специальных аллель-специфических молекулярных маркеров на основе выделенных SNP. Для этого начата работа по разработке использованию ASQ маркеров для анализа генетического полиморфизма по генам Lsi1 и Lsi2. Работа будет продолжена по плану в последующие годы.

За 2025 год- Продолжено определение качества корма в разные фазы вегетации растений первого года жизни.Проведены первый и второй укосы пастбищной массы ломкоколосника ситникового, взятые пробы в количестве 140 образцов высушены и подготовлены к анализу. Проведен размол пастбищной массы первого укоса. Установлено содержание макроэлементов-азота в пределах 1,96-3,62% при среднем уровне -2,85%. Установлено содержание сырых веществ- протеина в диапазоне 12,28-22,65% при среднем уровне 17,82%, и переваримого протеина- 9,62-18,46%, средняя составляла 13,68%, жира-2,76-3,60%, при среднем показателе 2,99%, золы- 10,24-14,25%, средний показатель 13,42%, клетчатки- 21,27-28,77% средняя 23,97%, БЭВ-38,45-48,57, средний уровень-42,54%. Определена зоотехническая питательная ценность кормовой массы: содержание кормовых единиц составляло 0,781-1,024, в среднем 0,926 единиц и количество обменной энергии варьировало от 9,82 до 11,24 мДж, при средних данных 10,69 мДж. На втором году жизни растений в питомниках гибридизации и поликросса ломкоколосника проведены скрещивания при свободно-ограниченном переопылении на изолированных участках для создания гибридов и сложно-гибридных популяций с низким содержанием кремния, а также в питомниках изучения ранее полученных гибридов поколений F₁-F₂. Осуществлен уход за посевами-ранневесенняя очистка питомников, прополка, проведены фенологические наблюдения-отмечены даты отрастания-10 апреля, колошения- 20 мая, проведена оценка мощности развития растений весной и в фазу полного колошения в баллах-4-5 баллов. Для генотипирования взяты образцы коллекции различного происхождения в количестве 75 образцов, а также родительские формы, их потомства и гибридные популяции ломкоколосника ситникового (Psathyrostachys juncea). Проведено их генотипирование с помощью разработанного и проверенного молекулярного SNP-маркера ASQ TaLsi2-SNP1 по гену Lsi2, контролирующему транспорт кремния в растении. В результате выявлено распределение аллелей SNP1 среди 23 образцов ломкоколосника и обнаружены сорта, в которых присутствует аллель А гена Lsi2, который оказался связан с низким содержание кремния в листьях растений ломкоколосника. Генетическое разнообразие обнаружено среди образцов: w-13128 (Китай), w-13257 (Казахстан), w-19786 (Монголия), w-13128 (Казахстан), w-25100 (Казахстан), PI-206684 (Турция), w-19868 (США) и других. Сравнение результатов генотипирования с помощью молекулярных маркеров ASQ с данными анализа содержания кремния в кормовой массе ломкоколосника в полевых условиях находится на стадии развития растений.

Члены исследовательской группы:

Список публикаций (со ссылками на них) и патентов: Публикации запланированы на 2026 год