Полногеномный анализ ассоциаций для идентификации SNP-маркеров, связанных с продуктивностью колоса ячменя (Hordeum vulgare L.)

Актуальность. Ячмень (Hordeum vulgare L.) является важной зерновой культурой широкого использования. Урожайность ячменя – это комплексный признак, на который влияют основные элементы структуры урожая. Идентификация молекулярных маркеров, сцепленных с морфологией колоса, очень важна для селекционного улучшения ячменя. Целью исследования является выявление геномных локусов, ассоциированных с архитектурой колоса ячменя, с использованием полногеномного анализа ассоциаций (GWAS).

Материал и методы. Изучен набор из 199 образцов преимущественно голозерного ярового ячменя коллекции ВИР разного селекционного уровня, включая 103 образца шестирядного и 96 образцов двурядного ячменя разного происхождения. Фенотипирование по колосовым признакам выполнено в 2021–2023 гг. на экспериментальном поле научно-производственной базы «Пушкинские и Павловские лаборатории ВИР». Генотипирование проведено с использованием чипа Barley 50K Illumina Infinium iSELECT. GWAS выполнен в R с использованием смешанной линейной модели с учетом матрицы родства (MLM).

Результаты. Показано широкое разнообразие признаков структуры урожая: длина колоса (SL), число колосков в колосе (SN), число зерен в колосе (GN), масса зерна с колоса (GW), масса 1000 зерен (TGW) в зависимости от рядности колоса и влияния окружающей среды. В результате GWAS выявлены 129 маркеров для всех признаков, включая 12 для SL, 73 для SN, 19 для GN, 9 для GW, 16 для TGW. Выделенные значимые маркеры сопоставлены с геномными районами на всех хромосомах ячменя. Часть выделенных маркеров ассоциирована с уже известными генами Vrs на первых пяти хромосомах. Анализ белок-белковых взаимодействий выделил 3 функциональных кластера, включающие 19 SNP, сцепленных с генами-ортологами развития колоса.

Заключение. Выделенные маркеры, локусы и белковые взаимосвязи представляют интерес для дальнейшего изучения архитектуры колоса и количественных признаков, вносящих значительный вклад в урожайность ячменя.

1. Afanasenko O., Rozanova I., Gofman A., Lashina N., Novakazi F., Mironenko N. et al. Validation of molecular markers of barley net blotch resistance loci on chromosome 3H for marker-assisted selection. Agriculture. 2022;12(4):439. DOI: 10.3390/agriculture12040439

2. Alqudah A.M., Sallam A., Baenziger P.S., Börner A. GWAS: Fast-forwarding gene identification and characterization in temperate Cereals: lessons from Barley – A review. Journal of Advanced Research. 2020;22:119-135. DOI: 10.1016/j.jare.2019.10.013

3. Alqudah A.M., Sharma R., Pasam R.K., Graner A., Kilian B., Schnurbusch T. Genetic dissection of photoperiod response based on GWAS of pre-anthesis phase duration in spring barley. PLoS One. 2014;9(11):e113120. DOI: 10.1371/journal.pone.0113120

4. Barleymap: [website]. Available from: https://barleymap.eead.csic.es/barleymap [accessed Apr. 12, 2025].

5. Bayer M.M., Rapazote-Flores P., Ganal M., Hedley P.E., Macaulay M., Plieske J. et al. Development and evaluation of a barley 50k iSelect SNP array. Frontiers in Plant Science. 2017;8:1792. DOI: 10.3389/fpls.2017.01792

6. Belcher A.R., Graebner R.C., Cuesta-Marcos A., Fisk S., Filichkin T., Smith K.P. et al. Registration of the TCAP FAC-WIN6 barley panel for genomewide association studies. Journal of Plant Registrations. 2015;9(3):411-418. DOI: 10.3198/jpr2014.12.0083crmp

7. Bull H., Casao M.C., Zwirek M., Flavell A.J., Thomas W.T.B., Guo W. et al. Barley SIX-ROWED SPIKE3 encodes a putative Jumonji C-type H3K9me2/me3 demethylase that represses lateral spikelet fertility. Nature Communications. 2017;8(1):936. DOI: 10.1038/s41467-017-00940-7

8. Cantalapiedra C.P., Boudiar R., Casas A.M., Igartua E., Contreras-Moreira B. BARLEYMAP: physical and genetic mapping of nucleotide sequences and annotation of surrounding loci in barley. Molecular Breeding. 2015;35(1):13. DOI: 10.1007/s11032-015-0253-1

9. Cockram J., White J., Zuluaga D.L., Smith D., Comadran J., Macaulay M. et al. Genome-wide association mapping to candidate polymorphism resolution in the unsequenced barley genome. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2010;107(50):21611-21616. DOI: 10.1073/pnas.1010179107

10. EnsemblPlants: [website]. Available from: https://plants.ensembl.org/index.html [accessed Apr. 12, 2025].

11. Faccini N., Delbono S., Oǧuz A.Ç., Cattivelli L., Vale G., Tondelli A. Resistance of European spring 2-row barley cultivars to Pyrenophora graminea and detection of associated loci. Agronomy. 2021;11(2):374. DOI: 10.3390/agronomy11020374

12. FAOSTAT. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Statistics: [website]. Available from: https://www.fao.org/statistics/en [accessed Apr. 12, 2025].

13. Fériani W., Rezgui S., Cherif M. Detection of QTL and QTL × environment interaction for scald resistance in a two-row × six-row cross of barley. Cereal Research Communications. 2020;48(2):187-193. DOI: 10.1007/s42976-020-00024-1

14. Frichot E., François O. LEA: An R package for landscape and ecological association studies. Methods in Ecology and Evolution. 2015;6(8):925-929. DOI: 10.1111/2041-210x.12382

15. Geng L., Li M., Xie S., Wu D., Ye L., Zhang G. Identification of genetic loci and candidate genes related to β-glucan content in barley grain by genome-wide association study in International Barley Core Selected Collection. Molecular Breeding. 2021;41(1):6. DOI: 10.1007/s11032-020-01199-5

16. Haaning A.M., Smith K.P., Brown-Guedira G.L., Chao S., Tyagi P., Muehlbauer G.J. Natural genetic variation underlying tiller development in barley (Hordeum vulgare L). G3 (Bethesda). 2020;10(4):1197-1212. DOI: 10.1534/g3.119.400612

17. Hommel G. A stagewise rejective multiple test procedure based on a modified Bonferroni test. Biometrika. 1988;75(2):383-386. DOI: 10.2307/2336190

18. Huang X., Han B. Natural variations and genome-wide association studies in crop plants. Annual Review of Plant Biology. 2014;65:531-551. DOI: 10.1146/annurev-arplant-050213-035715

19. Hussain W. GWAS and population structure codes. GitHub; 2018. Available from: https://whussain2.github.io/Materials/Teaching/GWAS_R.html [accessed Mar. 12, 2025].

20. Komatsuda T., Pourkheirandish M., He C., Azhaguvel P., Kanamori H., Perovic D. et al. Six-rowed barley originated from a mutation in a homeodomain-leucine zipper I-class homeobox gene. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2007;104(4):1424-1429. DOI: 10.1073/pnas.0608580104

21. Koppolu R., Anwar N., Sakuma S., Tagiri A., Lundqvist U., Pourkheirandish M. et al. Six-rowed spike4 (Vrs4) controls spikelet determinacy and row-type in barley. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2013;110(32):13198-13203. DOI: 10.1073/pnas.1221950110

22. Koppolu R., Schnurbusch T. Developmental pathways for shaping spike inflorescence architecture in barley and wheat. Journal of Integrative Plant Biology. 2019;61(3):278-295. DOI: 10.1111/jipb.12771

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

24. Лукьянова М.В., Трофимовская А.Я., Гудкова Г.Н., Терентьева И.А., Ярош Н.П. Культурная флора СССР. Т. 2 (ч. 2). Ячмень / под ред. В.Д. Кобылянского, М.В. Лукьяновой. Ленинград: Агропромиздат; 1990.

25. Lundqvist U. Scandinavian mutation research in barley – a historical review. Hereditas. 2014;151(6):123-131. DOI: 10.1111/hrd2.00077

26. Mascher M., Gundlach H., Himmelbach A., Beier S., Twardziok S.O., Wicker T. et al. A chromosome conformation capture ordered sequence of the barley genome. Nature. 2017;544(7651):427-433. DOI: 10.1038/nature22043

27. Mascher M., Richmond T.A., Gerhardt D.J., Himmelbach A., Clissold L., Sampath D. et al. Barley whole exome capture: a tool for genomic research in the genus Hordeum and beyond. The Plant Journal. 2013;76(3):494-505. DOI: 10.1111/tpj.12294

28. Mascher M., Wicker T., Jenkins J., Plott C., Lux T., Koh C.S. et al. Long-read sequence assembly: a technical evaluation in barley. The Plant Cell. 2021;33(6):1888-1906. DOI: 10.1093/plcell/koab077

29. NCBI. National Center for Biotechnology Information: [website]. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov [accessed Apr. 12, 2025].

30. Pasam R.K., Sharma R., Malosetti M., van Eeuwijk F.A., Haseneyer G., Kilian B. et al. Genome-wide association studies for agronomical traits in a world wide spring barley collection. BMC Plant Biology. 2012;12:16. DOI: 10.1186/1471-2229-12-16

31. Ramsay L., Comadran J., Druka A., Marshall D.F., Thomas W.T.B., Macaulay M. et al. INTERMEDIUM-C, a modifier of lateral spikelet fertility in barley, is an ortholog of the maize domestication gene TEOSINTE BRANCHED 1. Nature Genetics. 2011;43(2):169-172. DOI: 10.1038/ng.745

32. Rozanova I.V., Grigoriev Y.N., Efimov V.M., Igoshin A.V., Khlestkina E.K. Genetic dissection of spike productivity traits in the Siberian collection of spring barley. Biomolecules. 2023;13(6):909. DOI: 10.3390/biom13060909

33. Розанова И.В., Хлесткина Е.К. NGS-секвенирование в селекционно-генетических исследованиях ячменя. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2020;24(4):348-355. DOI: 10.18699/VJ20.627

34. STRING. Protein–Protein Interaction Networks: [website]. Available from: https://string-db.org [accessed Apr. 12, 2025].

35. Сурин Н.А. Адаптивный потенциал сортов зерновых культур сибирской селекции и пути его совершенствования (пшеница, ячмень, овес): монография. Новосибирск; 2011.

36. Thabet S.G., Moursi Y.S., Karam M.A., Graner A., Alqudah A.M. Genetic basis of drought tolerance during seed germination in barley. PLoS One. 2018;13(11):e0206682. DOI: 10.1371/journal.pone.0206682

37. Трофимовская А.Я. Ячмень (эволюция, классификация, селекция). Ленинград: Колос; 1972.

38. Van Esse G.W., Walla A., Finke A., Koornneef M., Pecinka A., von Korff M. Six-Rowed Spike3 (VRS3) is a histone demethylase that controls lateral spikelet development in barley. Plant Physiology. 2017;174(4):2397-2408. DOI: 10.1104/pp.17.00108

39. Wang M., Jiang N., Jia T., Leach L., Cockram J., Comadran J. et al. Genome-wide association mapping of agronomic and morphologic traits in highly structured populations of barley cultivars. Theoretical and Applied Genetics. 2012;124(2):233-246. DOI: 10.1007/s00122-011-1697-2

40. Погода и климат: [сайт]. URL: http://www.pogodaiklimat.ru [дата обращения: 20.01.2024].

41. Youssef H.M., Eggert K., Koppolu R., Alqudah A.M., Poursarebani N., Fazeli A. et al. VRS2 regulates hormone-mediated inflorescence patterning in barley. Nature Genetics. 2017;49:157-161. DOI: 10.1038/ng.3717