Заведующий лабораторией — Анатолий Васильевич Войлоков, д.б.н., в.н.с.

Тел. (812)428-40-05

Исследования по генетике растений в Ленинградском (Санкт-Петербургском) университете начались циклом работ по генетике мягкой пшеницы одного из классиков отечественной генетики Ю.А. Филипченко. Сформированные им теоретические положения и результаты проведенных экспериментов послужили основой для формирования менделевского подхода к изучению генетики количественных признаков, как альтернативе биометрического подхода, доминировавшего в науке на протяжении большей части ХХ века.

В 30-е годы, после организации кафедры генетики растений в Ленинградском университете, исследованиями по генетике растений руководил Г.Д. Карпеченко – мировой лидер в области изучения взаимодействия геномов у отдаленных гибридов. М.А. Розанова заложила основы исследований по генетической дифференциации популяций многих видов растений. Работы возобновились вскоре после Великой Отечественной Войны (с 1948 г. на объединенной кафедре генетики и селекции). В эти годы были основаны уникальные генетические коллекции ржи (В.С. Федоров, В.Г. Смирнов, С.П. Соснихина), земляники (Т.С. Фадеева), редиса (С.И. Нарбут).

В настоящее время основным объектом изучения в лаборатории генетики растений остаётся озимая рожь, являющаяся для многих стран важной сельскохозяйственной культурой и служащая компонентом тритикале – первого злака, сознательно созданного человеком. С помощью инбридинга получена непрерывно пополняемая коллекция образцов и линий, которая служит основой для исследований, направленных на решение ряда фундаментальных и практических проблем, сложившихся исторически и возникающих по мере развития науки. На протяжении последних лет исследования проводятся по двум основным направлениям.

Генетическое картирование генома ржи

Геном ржи уникален среди родственных диплоидных злаков по количеству ДНК, соотношению кодирующих и некодирующих последовательностей, хромосомным транслокациям, возникшим и фиксированным в ходе эволюции культурной ржи. Генетическая коллекция инбредных линий и морфологических мутантов позволяет проводить исследования по генетическому картированию генома ржи, и на этой основе детализировать особенности его структурно-функциональной организации. В лаборатории идентифицированы мутации самосовместимости в основных локусах S и Z, контролирующих гаметофитную несовместимость, установлен и картирован третий локус несовместимости – T. Впервые у ржи картированы локусы, отвечающие за формирование количественных признаков. Идентифицированы гены, контролирующие наличие воска и антоциана на отдельных частях растения, гены, отвечающие за ломкость и длину стебля, морфологию колоса и габитус растения в целом (Смирнов, Соснихина, 1984). Проводится картирование этих генов относительно молекулярных и изозимных маркёров, консервативность которых позволяет сравнивать синтению генов и маркёров у ржи и родственных ей злаков и делать на этой основе выводы относительно эволюции генома ржи (Рис. 1).

Рис.1. Генетические карты участков хромосом ржи, включающие молекулярные (Х), биохимические (Sod2, Got1, Lap2, Aco1, Acph2/3, Got2, Acph1), морфологические (w, np, cb, mp, wa1) маркеры и синаптические (sy1, sy9, sy19) гены. Генетические расстояния указаны в сантиморганах.

Изучение генетического контроля и молекулярных механизмов мейоза

На основе оригинальной коллекции спонтанных мейотических мутантов (Рис. 2) создана модель для изучения генетического контроля и молекулярных механизмов регуляции мейоза, исследования предмейотической доменной организации ядра, гомологичного синапсиса, рекомбинации и компактизации мейотических хромосом. Проведение гибридологического анализа позволяет выяснить закономерности наследования, особенности межгенных и межаллельных взаимодействий мейотических генов, установить их хромосомную локализацию, провести тонкое картирование с целью последующего клонирования и секвенирования генов, контролирующих мейоз. Порядок включения генов синапсиса в процесс мейоза устанавливают на основании фенотипа двойных мутантов, а также реализации ключевых этапов мейоза. Цитологические исследования мейоза направлены на изучение проявления мутантных генов на различных стадиях мейотического цикла для выявления наиболее раннего дефекта, вызываемого мутациями. Описание мутантов проводится с использованием светооптической микроскопии (Рис. 2), методов флуоресцентной ДНК-ДНК гибридизации in situ (Рис. 3), электронной микроскопии синаптонемных комплексов и иммуноцитохимической локализации рекомбиногенных белков.

Рис.2. Моногенные аномалии мейоза у ржи Secale cereale L. Метафаза I (MI). А. дикий тип, 7 бивалентов. Б. Асинаптический мутант sy1, 14 унивалентов. В. Асинаптический мутант sy9, 14 унивалентов. Г. Редкие биваленты у мутанта sy10.
 

Рис. 3. Локализация перицентромерных и субтелотеломерных доменов хромосом в профазе I у ржи методом гибридизации ДНК-ДНК in situ. А, В – стадия букета: А, В – субтеломерные домены (красный сигнал), перицентромерные домены (зеленый сигнал) в мейоцитах (длинная стрелка) и немейотических ядрах тапетума (короткая стрелка); В – нарушения кластеризации доменов хромосом в мейоцитах. Б, Г – диакинез: Б – 7 бивалентов, Г – 14 унивалентов. А, Б – дикий тип; В, Г – мутант sy1.

Одним из подходов, позволяющих установить молекулярную функцию мей-генов ржи является составление фенотипических портретов спонтанных мутантов и их детальное сравнение с проявлением мутаций по известным генам, идентифицированным у модельных объектов. При сотрудничестве с Ресурсным центром “Развитие молекулярных и клеточных технологий” Санкт-Петербургского университета начат поиск мейозо-специфических белков, по которым могут быть дефектны мейотические мутанты ржи.

Межлабораторное сотрудничество

•    Институт Общей генетики РАН

•    Университет Абериствиса (Уэльс)

•    Университет Бирмингема (Англия)

•    Институт генетики и цитологии БАН (Беларусь)

•    Университет Хайфы (Израиль)

•    Института генетики культурных растений (IPK) (Германия).

Избранные публикации

Долматович Т.В., Малышев С.В., Соснихина С.П., Цветкова Н.В., Картель Н.А., Войлоков А.В. Картирование мейотических генов ржи (Secale cereale L.). Локализация мутации sy18, нарушающей гомологичность синапсиса, с использованием микросателлитных маркёров. Генетика. 2013. T. 49. № 4. С. 472-478.

Долматович Т.В., Малышев С.В., Соснихина С.П., Цветкова Н.В., Картель Н.А., Войлоков А.В. Картирование мeйотических генов ржи (Secale cereale L.). Локализация мутации sy19, нарушающей гомологичный синапсис, с помощью изозимных и микросателлитных маркеров. Генетика. 2013. Т. 49. № 5. С.595-611.

Михайлова Е. И., Толкачева А. В., Соснихина С. П. Элементы консервативности и специфичности в реализации мейоза у ржи Secale cereale L., выявленные методами молекулярной цитогенетики. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2013. Т. 174. C. 100-106.

Михайлова Е.И., Ловцюс А.В., Соснихина С.П. Некоторые особенности реализации ключевых событий мейоза у ржи и ее синаптических мутантов. Генетика. 2010. Т. 46. № 10. С. 1371-1375.

Голубцов С. В., Соснихина С. П., Иорданская И. В., Войлоков А. В., Михайлова Е. И., Коломиец О. Л., Богданов Ю. Ф. Полустерильный мейотический мутант sy11 ржи Secale cereale L. с гетерологичным синапсисом хромосом. Генетика. 2010. Т. 46. № 6. С. 1-8.

Jenkins G., Phillips D., Mikhailova E., Timofejeva L., Jones R.N. Meiotic Genes and Proteins in Cereals. Cytogenetic and Genome Research. 2008. V. 120. P. 291-301.

Mikhailova E.I., Phillips D, Sosnikhina SP, Lovtsyus AV, Jones RN, Jenkins G. Molecular assembly of meiotic proteins Asy1 and Zyp1 and pairing promiscuity in rye (Secale cereale L.) and its synaptic mutant sy10. Genetics. 2006. V.174. N.3. P. 1247-1258.

Sosnikhina S.P., Mikhailova E.I., Tikholiz O.A., Priyatkina S.N., Smirnov V.G. et al. Meiotic mutations in rye Secale cereale L. In: “Plant Cytogenetics” A special volume of Cytogenetic and Genome Research. 2005. V. 109. P. 215-220.

Korzun V., Malyshev S., Voylokov A.V., Börner A. A genetic map of rye (Secale cereale L.) combining RFLP, isozyme, protein, microsatellite and gene loci. Theoretical and Applied Genetics. 2001. Т. 102. N. 5. С. 709-717.

Mikhailova E.I., Sosnikhina S.P., Kirillova G.A., Tikholiz O.A., Smirnov V.G., Jones R.N., Jenkins G. Nuclear dispositions of subtelomeric and pericentromeric chromosomal domains during meiosis in asynaptic mutants of rye (Secale cereale L.). J.Cell Sci. 2001. V. 114. P.1875-1882.

Börner A., Korzun V., Voylokov A.V., Worland A.J.,Weber W.E. Genetic mapping of quantitative trait loci in rye (Secale cereale L.). Euphytica. 2000. Т. 116. N. 3. С. 203-209.

Börner A., Korzun V., Voylokov A.V., Weber W.E. Detection of quantitative trait loci on chromosome 5R of rye (Secale cereale L.). Theoretical and Applied Genetics. 1999. Т. 98. N. 6-7. P. 1087-1090.

Mikhailova E.I., Naranjo T., Shepherd K., Wennekes-van Eden J., Heyting C., de Jong J.H. The effect of the wheat Ph1 locus on chromatin organisation and meiotic chromosome pairing analysed by genome painting. Chromosoma. 1998. V. 107. P. 339-350.

Voylokov A. V., Korzun V., Börner A. Mapping of three self-fertility mutations in rye (Secale cereale L.) using RFLP, isozyme and morphological markers. Theoretical and Applied Genetics. 1997. Т. 97. N. 1-2. С. 147-153.

Fedotova Yu.S, Bogdanov Yu.F.,Gadzhieva S.A.,Sosnikhina S.P., Smirnov V.G., Mikhailova E.I. Meiotic mutants of rye Secale cereale L. II. The nonhomologous synapsis in desynaptic mutants sy7 and sy10. Theor. Appl. Genet. 1994. V. 88. P.1029-1036.

Fuong F. T., Voylokov A. V., Smirnov V. G. Genetic studies of self-fertility in rye (Secale cereale L.). 2. The search for isozyme marker genes linked to self-incompatibility loci. Theoretical and applied genetics. 1993. Т. 87. N. 5. С. 619-623.