Селекція пшениці є однією з ключових областей аграрних досліджень, спрямованих на забезпечення сталого виробництва продовольства в умовах глобальної зміни клімату та зростаючого населення планети. Пшениця озима займає значне місце у світовому виробництві зернових культур завдяки своїй високій урожайності та якісним характеристикам зерна. Одним з критичних аспектів, що впливають на продуктивність та адаптивність пшениці озимої, є ознаки колоса та врожайність. Дослідження, які спрямовані на розуміння селекційно-генетичних основ ознак колоса пшениці озимої дозволяють виявити генетичні механізми цих ознак і сприяють розробці нових сортів з покращеними характеристиками.
В останні роки значних успіхів у цій галузі досягнуто завдяки застосуванню сучасних молекулярно-генетичних технологій, таких як маркерно-асоційована селекція (MAS) і високопродуктивне секвенування. MAS суттєво прискорює і підвищує точність селекційного процесу за рахунок використання молекулярних маркерів, пов'язаних з бажаними ознаками, і її застосування в селекції пшениці озимої дозволяє ефективно відбирати рослини з оптимальними ознаками колоса, що в кінцевому результаті призводить до створення високоврожайних і стресостійких сортів. Високопродуктивне секвенування («секвенування наступного покоління») дозволяє швидко і точно секвенувати великі кількості ДНК і РНК, вивчати геноми рослин, виявляти гени та молекулярні маркери, які пов'язані з важливими агрономічними ознаками колоса пшениці, і значно прискорювати процес селекції за рахунок точного і масштабного аналізу генетичних даних.
У цьому дослідженні системно проаналізовано генетичні та селекційні основи ознак колоса пшениці озимої, таких як кількість зерен і маса 1000 зерен, із використанням маркерно-асоційованої селекції (MAS) і високопродуктивного секвенування для аналізу генетичної варіабельності та визначення молекулярних маркерів. Особлива увага приділяється ролі мікроРНК у регуляції розвитку зерна та деградомному секвенуванню (як одному з методів високопродуктивного секвенування) для пошуку генів, які є мішенню мікроРНК та анотації їхніх функцій.
Вихідним матеріалом для досліджень стали сорти пшениці озимої Mexican Large Spike (MLS), Bainong 4199 (BN419) та популяція F2 (145 рослин), створена шляхом гібридизації Mexican Large Spike × Bainong 4199.
Результати досліджень показали, що батьківські форми суттєво відрізнялися за ознаками колоса – за кількістю зерен у колосу та масою 1000 зерен, що відповідає принципу батьківського відбору при створенні популяції для картування QTL. Ознаки мали нормальний розподіл і двонаправлену сегрегацію, що вказує кількісне успадкування. За результатами кореляційного аналізу кількість колосків і маса 1000 зерен мали високозначущу позитивну кореляцію з коефіцієнтом кореляції 0,953.
143 пари поліморфних маркерів з чіткими відмінностями були перевірені на поліморфізм із використанням 300 пар праймерів SSR. Було генотиповано 143 пари поліморфних маркерів і побудовано генетичні карти для 145 окремих рослин популяції F2.
Для побудови карти генетичного зчеплення було використано 145 локусів поліморфних маркерів SSR, які охоплювали 19 хромосом пшениці, загальною довжиною 3128,17 сМ. Середня відстань між маркерами становила 25,23 сМ, максимальна – 113,85 сМ, мінімальна – 3,57 сМ. Генетична щільність між деякими маркерами перевищувала 50 сМ, що обумовлено переважно малою щільністю молекулярних маркерів.
Розподіл 145 поліморфних маркерних локусів за групами хромосом А, В і D був нерівномірним. 77 маркерних локусів були наявні в хромосомній групі А, 41 - у групі В, і лише 24 - у групі хромосом D, що становило 54,22%, 28,87% і 16,9%від загальної кількості маркерних локусів, відповідно.
Маркери SSR мали найвищий поліморфізм у групі хромосом B та найнижчий поліморфізм групи хромосом D.
Визначення та аналіз епістатичних локусів QTL для кількості зерен на колос та маси тисяч зерен показали, що було ідентифіковано дев'ять епістатичних локусів QTL, пов'язаних з кількістю зерен на колос та масою тисячі зерен, які були розподілені на хромосомах 1B, 2B, 2D, 3B і 6B, серед яких чотири асоційовані локуси QTL - на хромосомі 3B, два асоційованих локуси QTL - на хромосомі 6B. і по одному асоційованому локусу - на хромосомах 1B, 2B та 2D. Це дозволяє пояснити 4,922%~21,1044% фенотипних варіацій за ознакою кількості зерен на колос. QGNS~1B та QGNS~3B2 мали великі генетичні ефекти та були основними локусами, пояснюючи 21,1044% та 15,8886% фенотипічних варіацій. Один адитивний локус QTL, який контролював масу тисячі зерен, було виявлено на QTGW~3B, що пояснювало 11,4727% мінливості фенотипу.
Значення ефекту для локусів QGNS~2B, QGNS~2D та QGNS~3B1 були менше за нуль, отже, генетичний ефект епістатичних локусів QTL, які належали до рекомбінантного типу, був більшим, ніж у епістатичних локусів QTL, які належали до батьківського типу, що пояснює 41,91% загальної фенотипічної мінливості.
