Дифференциация сортов овса из коллекции ВИР по степени селекционной проработки на основе метаболомного профилирования

Объектом данного исследования были 30 образцов овса из коллекции Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова (ВИР) российского и французского происхождения разного уровня селекционной проработки – местные (начало 1920-х годов), примитивные селекционные (1920–1930-х годов) и современные селекционные сорта.
Основная задача работы – выявление различий между сортами овса разной степени селекционной проработки на уровне метаболомных профилей. Полученные результаты отражали метаболическое состояние генотипов различного эколого-географического происхождения. Проведено сравнение по основным группам метаболитов, имеющим важное значение для формирования признаков устойчивости культуры к стрессорам, а также пищевых, лечебных, диетических достоинств зерновой продукции. Выделены наиболее информационно ценные признаки (фукостерол, хиро-инозитол, ксилит, ундециловая, треоновая, глутаминовая, рибоновая, фосфорная кислоты, сорбоза, фруктоза, глюкозо-3-фосфат, мио-инозитол), позволившие достоверно разделить образцы овса различного происхождения и с разной степенью селекционной проработки. Сравнение метаболомных профилей групп сортов овса российской и французской селекции – местных, примитивных, а также современных – отражает особенности направления работ различных селекционных школ.
Наше исследование показало, что при проведении селекционных работ на улучшение биохимических показателей зерновок овса необходимо использовать ресурсы генетического разнообразия российских местных и примитивных селекционных сортов, собранных и созданных в 20–30-е годы ХХ столетия, которые до настоящего времени сохраняются и поддерживаются в мировой коллекции ВИР.

1. Balmer D., Flors V., Glauser G., Mauch-Mani B. Metabolomics of cereals under biotic stress: current knowledge and techniques. Frontiers in Plant Science. 2013;4:82. DOI: 10.3389/fpls.2013.00082

2. Базилевская Н.А. Селекция на химический состав. В кн.: Теоретические основы селекции растений. Т. 1. Общее растениеводство / под ред. Н.И. Вавилова. Москва; Ленинград: ГИЗ; 1935. С.1017-1043.

3. Björck I., Östman E., Kristensen M., Anson N.M., Price R.K., Haenen G.R.M.M. et al. Cereal grains for nutrition and health benefits: overview of results from in vitro, animal and human studies in the HEALTHGRAIN project. Trends in Food Science and Technology. 2012;25(2):87-100. DOI: 10.1016/j.tifs.2011.11.005

4. Boczkowska M., Łapiń ski B., Kordulasińska I., Dostatny D.F., Czembor J.H. Promoting the use of common oat genetic resources through diversity analysis and core collection construction. PLoS ONE. 2016;11(12):e0167855. DOI: 10.1371/journal.pone.0167855

5. Boczkowska M., Zebrowski J., Nowosielski J., Kor du la sinska I., Nowosielska D., Podyma W. Envi ronmentallyrelated genotypic, phenotypic and metabolic diversity of oat (Avena sativa L.) landraces based on 67 Polish accessions. Genetic Resources and Crop Evolution. 2017;64(8):1829-1840. DOI: 10.1007/s10722-017-0555-8

6. Bolton M.D. Primary metabolism and plant defense – fuel for the fire. Molecular Plant–Microbe Interactions. 2009;22(5):487-497. DOI: 10.1094/MPMI-22-5-0487

7. Bushnell W.R., Perkins-Veazie P., Russo V.M., Collins J., Seeland T.M. Effects of deoxynivalenol on content of chloroplast pigments in barley leaf tissues. Phytopathology. 2009;100(1):33-41. DOI: 10.1094/phyto100-1-0033

8. Carreno-Quintero N., B ouwmeester H.J., Keurentjes J.J. Genetic analysis of metabolome–phenotype interactions: from model to crop species. Trends in Genetics. 2013;29(1):41-50. DOI: 10.1016/j.tig.2012.09.006

9. Deng W.W., Ashihara H. Profiles of purine metabolism in leaves and roots of Camellia sinensis seedlings. Plant and Cell Physiology. 2010;51(12):2105-2118. DOI: 10.1093/pcp/pcq175

10. Fernie A.R., Schauer N. Metabolomics-assisted breeding: a viable option for crop improvement? Trends in Genetics. 2009;25(1):39-48. DOI: 10.1016/j.tig.2008.10.010

11. Fu Y.B., Peterson G.W., Scoles G., Rossnagel B., Schoen D.J., Richards K.W. Allelic diversity changes in 96 Canadian oat cultivars released from 1886 to 2001. Crop Science. 2003;43(6):1989-1995. DOI: 10.2135/cropsci2003.1989

12. Gu J., Jing L., Ma X., Zhang Z., Guo Q., Li Y. GC–TOF-MS-based serum metabolomic investigations of naked oat bran supplementation in high-fat-diet-induced dyslipidemic rats. The Journal of Nutritional Biochemistry. 2015;26(12):1509-1519. DOI: 10.1016/j.jnutbio.2015.07.019

13. Harrigan G.G., Brackett D.J., Boros L.G. Medicinal chemistry, metabolic profiling and drug target discovery: a role for metabolic profiling in reverse pharmacology and chemical genetics. Mini-Reviews in Medicinal Chemistry. 2005;5(1):13-20. DOI: 10.2174/1389557053402800

14. He X., Bjørnstad Å. Diversity of North European oat analyzed by SSR, AFLP and DArT markers. Theoretical and Applied Genetics. 2012;125(1):57-70. DOI: 10.1007/s00122-012-1816-8

15. Hollywood K., Brison D.R., Goodacre R. Metabolomics: current technologies and future trends. Proteomics. 2006;6(17):4716-4723. DOI: 10.1002/pmic.200600106

16. Hong J., Yang L., Zhang D., Shi J. Plant metabolomics: an indispensable system biology tool for plant science. International Journal of Molecular Sciences. 2016;17(6):767. DOI: 10.3390/ijms17060767

17. Хорева В.И., Шеленга Т.В., Блинова Е.В., Конарев А.В., Лоскутов И.Г. Каталог мировой коллекции ВИР. Выпуск 876. Овес: биохимическая характеристика образцов. Санкт-Петербург: ВИР; 2018.

18. Иванов Н.Н. Биохимические основы селекции растений. В кн.: Теоретические основы селекции растений. Т. 1. Общее растениеводство / под ред. Н.И. Вавилова. Москва; Ленинград: ГИЗ; 1935. С.991-1016.

19. Jonas E, de Koning D.J. Does genomic selection have a future in plant breeding? Trends in Biotechnology. 2013;31(9):497-504. DOI: 10.1016/j.tibtech.2013.06.003

20. Khakimov B., Bak S., Engelsen S.B. High-throughput cereal metabolomics: current analytical technologies, challenges and perspectives. Journal of Cereal Science. 2014;59(3):393-418. DOI: 10.1016/j.jcs.2013.10.002

21. Kokubo Y., Nishizaka M., Ube N., Yabuta Y., Tebayashi S., Ueno K et al. Distribution of the tryptophan pathwayderived defensive secondary metabolites gramine and benzoxazinones in Poaceae. Bioscience, Biotechnology, and Biochemystry. 2017;81(3):431-440. DOI: 10.1080/09168451.2016.1256758

22. Конарев А.В., Хорева В.И. Биохимические исследования генетических ресурсов растений в ВИРе. Санкт-Петербург: ВИР; 2000.

23. Конарев А.В., Лоскутов И.Г., Шеленга Т.В., Хорева В.И., Конарев Ал.В. Генетические ресурсы растений как неиссякаемый источник продуктов здорового питания. Аграрная Россия. 2019;(2):38-48. DOI: 10.30906/1999-5636-2019-2-38-48

24. Конарев А.В ., Шеленга Т.В., Перчук И.Н., Блинова Е.В., Лоскутов И.Г. Характеристика разнообразия овса (Avena L.) из коллекции ВИР – исходного материала для селекции на устойчивость к фузариозу. Аграрная Россия. 2015;(5):2-10.

25. Langridge P., Fleury D. Making the most of ‘omics’ for crop breeding. Trends in Biotechnology. 2011;29(1):33-40. DOI: 10.1016/j.tibtech.2010.09.006

26. Leišová L., Kučera L., Dotla čil L. Genetic resources of barley and oat characterised by microsatellites. Czech Journal of Genetics and Plant Breeding. 2007;43:97-104. DOI: 10.17221/2070-CJGPB

27. Леонова С.Л., Гнутиков A.А., Лоскутов И.Г., Блинова Е.В., Густафссон К.Э., Олссон О. Разнообразие содержания авенантрамидов у культурного и дикого овса. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2020;181(1):30-47. DOI: 10.30901/2227-8834-2020-1-30-47

28. Leonova S.L., Shelenga T.V., Hamberg M., Konarev A.A, Loskutov I.G., Carlsson A.S. Analysis of oil composition in cultivars and wild species of oat (Avena sp.). Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2008;56(17):7983-7991. DOI: 10.1021/jf800761c

29. Лохов П.Г., Арчаков А.И. Масс-спектрометрические методы в метаболомике. Биомедицинская химия. 2008;54(5):497-511.

30. Лоскутов И.Г. Овес (Avena L.). Распространение, систематика, эволюция и селекционная ценность. Санкт-Петербург: ВИР; 2007.

31. Лоскутов И.Г., Ковалева О.Н., Блинова Е.В. Методические указания по изучению и сохранению мировой коллекции ячменя и овса. Санкт-Петербург: ВИР; 2012.

32. Loskutov I.G., Rines H.W. Avena. In: C. Kole (ed.). Wild Crop Relatives: Genomic and Breeding Resources: Cereals. Heidelberg; Berlin: Springer; 2011. p.109-184. DOI: 10.1007/978-3-642-14228-4_3

33. Лоскутов И.Г., Шеленга Т.В., Конарев А.В., Хорева В.И., Шаварда А.Л., Блинова Е.В. и др. Биохимические аспекты взаимоотношений грибов и растений на примере фузариоза овса. Сельскохозяйственная биология. 2019;54(3):575-588. DOI:10.15389/agro biology.2019.3.575rus

34. Loskutov I.G., Shelenga T.V., Konarev A.V., Shavarda A.L., Blinova E.V., Dzubenko N.I. The metabolomic approach to the comparative analysis of wild and cultivated species of oats (Avena L.). Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2017;7(5):501-508. DOI: 10.1134/s2079059717050136

35. Лоскутов И.Г., Шеленга Т.В., Конарев А.В., Варгач Ю.И., Пороховинова Е.А., Блинова Е.В. и др. Новый подход к структурированию сортового разнообразия голозерных и пленчатых форм культурного овса (Avena sativa L.). Экологическая генетика. 2020;18(1):27-41. DOI: 10.17816/ecogen12977

36. Loskutov I.G., Shelenga T.V., Rodionov A.V., Khoreva V.I., Blinova E.V., Konarev A.V. et al. Application of metabolomic analysis in exploration of plant genetic resources. Proceedings of the Latvian Academy of Sciences. Section B. Natural, Exact, and Applied Sciences. 2019;73(6):494-501. DOI: 10.2478/prolas-2019-0076

37. Montilla-Bascón G., Sánchez- Martín J., Rispail N., Rubiales D., Mur L., Langdon T. et al. Genetic diversity and population structure among oat cultivars and landraces. Plant Molecular Biology Reporter. 2013;31(6):1305-1314. DOI: 10.1007/s11105-013-0598-8

38. Perchuk I., Shelenga T., Gurkina M., Miroshnichenko E., Burlyaeva M. Composition of primary and secondary metabolite compounds in seeds and pods of asparagus bean (Vigna unguiculata (L.) Walp.) from China. Molecules. 2020;25(17):3778. DOI: 10.3390/molecules25173778

39. Perkowski J., Stuper K., Buú ko M., Góral T., Kaczmarek A., Jeleñ H. Differences in metabolomic profiles of the naturally contaminated grain of barley, oats and rye. Journal of Cereal Science. 2012;56(3):544-551. DOI: 10.1016/j.jcs.2012.07.012

40. Puzanskiy R., Tarakhovskaya E.R., Shavarda A., Shishova M. Metabolomic and physiological changes of Chlamydomonas reinhardtii (Chlorophyceae, Chlorophyta) during batch culture development. Journal of Applied Phycology. 2018;30(2):803-818. DOI: 10.1007/s10811-017-1326-9

41. Sánchez-Martín J., Heald J., Kingston-Smith A., Winters A., Rubiales D., Sanz M. et al. A metabolomic study in oats (Avena sativa) highlights a drought tolerance mechanism based upon salicylate signalling pathways and the modulation of carbon, antioxidant and photo-oxidative metabolism. Plant, Cell and Environment. 2015;38(7):1434-1452. DOI: 10.1111/pce.12501

42. Schauer N., Fernie A.R. Plant metabolomics: towards biological function and mechanism. Trends in Plant Science. 2006;11(10):508-516. DOI:10.1016/j.tplants.2006.08.007

43. Шеленга Т.В., Конарев А.В., Дзюбенко Н.И., Малышев Л.Л., Такай Т. Характеристика образцов овсяницы луговой из коллекции ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова, содержащих симбиотические грибы-эндофиты рода Neotyphodium. Аграрная Россия. 2005;(2):36-42.

44. Shulaev V. Metabolomics technology and bioinformatics. Briefings in Bioinformatics. 2006;7(2):128-139. DOI: 10.1093/bib/bbl012

45. Shulaev V., Cortes D., Miller G., Mittler R. Metabolomics for plant stress response. Physiologia Рlantarum. 2008;132(2):199-208. DOI: 10.1111/j.1399-3054.2007.01025.x

46. Shtark O.Y., Puzanskiy R.K., Avdeeva G.S., Yurkov A.P., Smolikova G.N., Yemelyanov V.V. et al. Metabolic alterations in pea leaves during arbuscular mycorrhiza development. PeerJ. 2019;7:e7495. DOI: 10.7717/peerj.7495

47. Ситкин С.И., Ткаченко Е.И., Вахитов Т.Ю., Орешко Л.С., Жигалова Т.Н. Метаболом сыворотки крови по данным газовой хроматографии – массспектрометрии (ГХ-МС) у пациентов с язвенным колитом и больных целиакией. Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. 2013;(12): 44-57.

48. Smolikova G.N., Shavarda A.L., Alekseichuk I.V., Chan tseva V.V., Смоликова Г.Н., Шаварда А.Л., Алексейчук И.В., Чанцева В.В., Медведев С.С. Mетаболомный подход к оценке сортовой специфичности семян Brassica napus L. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2015;19(1):121-127.

49. Warth B., Parich A., Bueschl C., Schoefbeck D., Neumann N.K.N., Kluger B. et al. GC–MS based targeted metabolic profiling identifies changes in the wheat metabolome following deoxynivalenol treatment. Metabolomics. 2015;11(3):722-738. DOI: 10.1007/s11306-014-0731-1

50. Winkler L.R., Bonman J.M., Chao S., Yimer B.A., Bockelman H., Klos K.E. Population structure and genotype–phenotype associations in a collection of oat landraces and historic cultivars. Frontiers in Plant Science. 2016;7:1077. DOI: 10.3389/fpls.2016.01077

51. Van de Wouw M., van Hintum T., Kik C., van Treuren R., Visser B. Genetic diversity trends in twentieth century crop cultivars: a meta-analysis. Theoretical and Applied Genetics. 2010;120(6):1241-52. DOI: 10.1007/s00122-009-1252-6

52. Yandeau-Nelson M.D., Lauter N., Zabotina O.A. Advances in metabolomic applications in plant genetics and breeding. CAB Reviews. 2015;10(040):1-15. DOI: 10.1079/pavsnnr201510040

53. Žilić S., Šukalović V.H., Dodig D., Maksimović V., Maksimović M., Basić Z. Antioxidant activity of small grain cereals caused by phenolics and lipid soluble antioxidants. Journal of Cereal Science. 2011;54(3):417-424. DOI: 10.1016/j.jcs.2011.08.006