OR11465447 научно-техническая программа «Разработка высокочувствительных  молекулярно-биологических, биохимических тестов детекции патогенов, влияющих на потребительские качества конечного продукта, на основе мониторинга возбудителей заболеваний сельскохозяйственных культур».

Научный руководитель – д.б.н., профессор Искаков Б.К.

Программа нацелена на совершенствование методов диагностики заболеваний растений и повышение эффективности получения отечественных сортов хозяйственно важных видов растений, на решение вопросов продовольственной безопасности и здоровья населения страны, а также улучшение конкурентоспособности на мировом рынке товарного зерна и сохранения генетических биоресурсов.

Цель программы и решение поставленных задач направлены на повышение эффективности научных исследований и увеличение вклада науки в диверсификацию экономики и устойчивое развитие страны.

Цель программы — Разработка высокочувствительных молекулярно-биологических и биохимических тестов детекции патогенов, влияющих на потребительские качества конечного продукта на основе мониторинга возбудителей заболеваний сельскохозяйственных культур (пшеница, картофель, яблони).

В результате выполнения программы будут получены новые знания, будут разработаны новые биомаркеры и тесты; будут разработаны  рекомендации, способствующие повышению потребительского качества продуктов, совершенствованию методов ранней диагностики важных растений к поражению вирусами, бактериями и грибами, повышению качества семенного материала, увеличению импортозамещения и улучшению конкурентоспособности на мировом рынке, сохранению генетических биоресурсов, предотвращению распространения опасных фитопатогенов.

Пшеница и картофель являются важнейшими для Казахстана сельскохозяйственными культурами, поэтому совершенствование методов скрининга устойчивых к фитопатогенам сортов этих культур должно повысить выход сельскохозяйственной продукции в нашей стране и обеспечить наиболее уязвимые в экономическом плане слои населения продукцией первой необходимости. Известно, что грибные, бактериальные и вирусные заболевания пшеницы и картофеля приводят к значительным, до 30%,  потерям урожая, а в годы эпифитотий до 70% и выше. Внедрение в селекционный процесс новых технологий дает возможность получить новые перспективные для селекции линии пшеницы и картофеля. Использование эффективных молекулярно-биологических и биохимических маркеров позволит своевременно выявлять нездоровый семенной материал.

В настоящее время производство местных сортов яблок становится важным международным брендом для Республики Казахстан и представляет собой одно из серьезных направлений для экономического и социального развития страны.  В связи с этим, выявление и предотвращение распространения опасных штаммов возбудителя бактериального ожога позволит избежать значительного урона для существующего генетического разнообразия и сохранить генофонд культурных и диких яблонь на территории РК.

Прикладное значение НТП. В результате выполнения программы будут разработаны технологии, тесты и рекомендации, способствующие внедрению в селекционный процесс новых технологий, эффективных молекулярно-биологических и биохимических маркеров, способствующих сокращению финансовых затрат при создании новых линий экономически важных растений, сохранению эндемичных биоресурсов.

Фундаментальные задачи. Исследование механизмов регуляции биосинтеза белка у растений при биотическом стрессе, оценка активности ферментов синтеза β-глюкана с количественным содержанием полисахарида в зерне злаковых культур; выявление белковых ингибиторов (БИ)  протеаз гриба рода Fusarium spp. в зерне пшеницы и установление связи количественного содержания БИ с устойчивостью к поражению фитопатогеном, установление молекулярных и биологических особенностей для отдельных вирусов картофеля, наиболее распространенных на территории РК, генотипирование изолятов Erwinia amylovora и создание базы данных выявленных изолятов для разработки рекомендаций по нераспространению особо опасных генотипов.

Промежуточные результаты за 7 месяцев 2021 года:

Проведен дизайн и синтез праймеров для диагностики, типизации методом ОТ-ПЦР и клонирования отдельных в плазмидный вектор фрагментов геномов гРНК вирусов картофеля PVX, PVY, PVM, PVS и PLRV. Проведен анализ текущей ситуации по распространению этих вирусов на полях Алматинской и Костанайской областей РК;

Проведена идентификация и применение антифунгальных белковых ингибиторов в качестве биохимических маркеров устойчивости отечественных сортов пшеницы к фузариозу;

Исследована текущая ситуация по распространению бактериального ожога в дикоплодовых лесах юго-востока Казахстана, направленная на выявление угрозы заражения эндемичных видов, таких как Malus sieversii, а также соседствующих видов розоцветных (например, Crataegus spp.), которые могут служить резервуаром инфекции и в дальнейшем угрожать биоразнообразию предгорных экосистем юго-востока Казахстана.

В рамках программы исследуется новый молекулярный механизм адаптации растений к биотическим стрессам, а именно изменение целостности 18S рРНК, являющейся каркасом для малой рибосомной субчастицы. Открыт совершенно новый тип биомаркеров стресса, а именно дискретные фрагменты 18S рРНК.

Пятьдесят отечественных сортов зерновых культур протестированы на наличие генов синтеза β-глюкана и на уровень содержания в их зерне β-глюкана.

В выполнении заданий программы участвуют:  3 д.б.н., 9 к.б.н.,

Результаты исследований за 2022 год:

— Проведена диагностика присутствия пяти вирусов методами ИФА и мпОТ-ПЦР в растениях картофеля 18-и сортов. Участки генома местных изолятов PVS, PVM, PVY клонированы и секвенированы, проведен филогенетический анализ. Разработан регламент.

— Оптимизированы условия синтеза и очистки сериновых протеаз Fusarium spp. Определены физико-химические свойства ингибиторов протеаз пшеницы. Разработан тест и проведен скрининг сортов пшеницы на содержание ингибиторов сериновых протеаз.

— Проведено фитопатологическое обследование дикоплодовых лесов и посадок яблони в Алматинской области (106 образцов). Получен 21 изолят E. amylovora, проведено их генотипирование (все отнесены к архетипному генотипу А). Выпущены рекомендации.

— Разработан способ оценки уровня фрагментации 18S рРНК растений. Проведены полевые испытания (картофель и пшеница). Установлено, что при вирусном и фунгальном поражении усиливается образование трех фрагментов 18S рРНК. Разработан регламент.

— Проанализировано 50 сортов пшеницы, 50 сортов ячменя и 50 сортов овса для выявления генов, ответственных за синтез β-глюкана. Определено содержание β-глюкана в отобранных сортообразцах злаковых культур. Создана коллекция геномной ДНК образцов.

Область применения: молекулярная биология, биотехнология растений, растениеводство, фитопатология, вирусология, селекция зерновых культур.

Практическое применение: повышение эффективности контроля болезней картофеля, злаковых и плодовых культур в стране, упрощение селекционного процесса для выявления сортов и линий важных видов растений с повышенной устойчивостью к фитопатогенам.

Прикладное значение НИР: Результаты, полученные в ходе мониторинга отечественных сортов картофеля (на содержание в них фитовирусов, стресс-зависимых фрагментов 18S рРНК) и злаковых культур (в отношении содержания ингибиторов грибных протеаз и наличия генов, участвующих в синтезе β-глюкана), переданы отечественным центрам, занимающимся культивированием этих сельскохозяйственных культур. Разработаны и оформлены регламенты, тесты, рекомендации для фермеров. Результаты НИР будут способствовать повышению эффективности селекционного процесса и проведению контрольных мероприятий по борьбе с фитопатогенами.

По результатам выполнения программы опубликовано:

Статей в журналах, входящих в базы Web of Science Core Collection, Clarivate Analytics и Scopus – 6; статей в журналах, рекомендованных КОКСОН – 11; заявки на патент РК – 2; лабораторных регламентов, технологий, тестов – 5

Список опубликованных работ:

— Статьи в журналах, входящих в базы Web of Science Core Collection, Clarivate Analytics и Scopus:

1 Karpova O., Alexandrova A., Nargilova R., Ramazanova M., Kryldakov R., Iskakov B.. AtDREB2A gene expression under control of the inducible promoter and virus 5’-untranslated regions improves tolerance to salinity in Nicotiana tabacum // International Journal of Biology and Biomedical Engineering. – 2021. – Vol. 15. – P. 260-274. https://doi.org/10.46300/91011.2021.15.32. (Scopus: 15%; CiteScore 0,6; SJR 0,149).

2 Alexandrova A., Karpova O., Kryldakov R., Golyaev V., Nargilova R., Iskakov B., Pooggin M.M. Virus Elimination from Naturally Infected Field Cultivars of Potato (Solanum tuberosum) by Transgenic RNA Interference // International journal of molecular sciences. — 2022. – Vol.23, No.14. – P. 8020. https://doi.org/10.3390/ijms23148020.  (Scopus: 85%. WoS – Q1. IF — 6.009).

3  Eliby S., Bekkuzhina S., Kishchenko O., Iskakova G., Kylyshbayeva G., Jatayev S., Soole K., Langridge P., Borisjuk N., Shavrukov Y. Developments and prospects for doubled haploid wheat // Biotechnology advances. – 2022. – Vol. 60. – P. 108007. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2022.108.  (Scopus: 98%. WoS – Q1. IF — 14.23).

4  Zhigailov A.V., Stanbekova G.E., Nizkorodova A.S., Galiakparov N.N., Gritsenko D.A., Polimbetova N.S., Halford N.G., Iskakov B.K. Phosphorylation of the alpha-subunit of plant eukaryotic initiation factor 2 prevents its association with polysomes but does not considerably suppress protein synthesis. Plant Science. 2022; 317: 111190; https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2022.111190. (Scopus: 92%; WoS – Q1; IF 4,729).

5 Maltseva E.R., Zharmukhamedova G.A., Jumanova Zh.K., Naizabayeva D.A., Berdygulova Zh.A., Dmitriyeva K.A., Soltanbekov S.S., Argynbayeva A.M., Skiba Y.A., Malakhova N.P., Rezzonico F., Smits T.H.M. Assessment of fire blight introduction in the wild apple forests of Kazakhstan //  Biodiversity. – 2022. https://doi.org/10.1080/14888386.2022.2141880. (Scopus: 50%. WoS – Q3. IF 0.607).

6  Zhigailov A.V., Nizkorodova A.S., Sharipov K.O., Polimbetova N.S., Iskakov B.K. Glyphosate treatment mediates the accumulation of small discrete 5′- and 3′-terminal fragments of 18S rRNA in plant cells // Vavilovskii Zhurnal Genetiki I Selektsii. – 2023. – Т. 27, № 2. – C.93-98. https://doi.org/10.18699/VJGB-23-13 (Scopus: 46%, WoS – Q3, IF 0.9).

Статьи в отечественных журналах, рекомендованных КОКСОН:

• Жигайлов А.В., Акбергенов Р.Ж., Полимбетова Н.С. Исследование роли РНК-интерференции в регуляции дискретной фрагментации 18S рРНК растений // Вестник КазНУ // Серия биологическая и медицинская. – 2022. – №2 (91). – С. 128-137. https://doi.org/10.26577/eb.2022.v91.i2.011.
• Alexandrova A., Yeriskina Y., Nargilova R., Kryldakov R., Tokbergenova Z., Pooggin M., Iskakov B., Karpova O. Genome sequence analysis, RT-PCR diagnostics and construction of viral protein-expressopn cassetes for Kazakh isolate of Ordinary and Andean strains of potato Virus S. Eurasian Journal of Applied Biotechnology. – 2022. – Vol.2. – P. 72-82. https://doi.org/10.11134/btp.2.2022.10.
• Малахова Н.П., Скиба Ю.А., Тезекбаева Б.К., Хасейн А., Дмитриева К.Д., Ромашкин В.Н., Жармухамедова Г.А., Джуманова Ж.К., Мальцева Э.Р. Распространенность Erwinia amylovora на дикорастущих и культурных яблоневых деревьях рода Malus на период 2021 года // Eurasian Journal of Applied Biotechnology. – 2022. – №.2. – С. 62-71. https://doi.org/10.11134/btp.2.2022.9.
• Кузовлев В.А., Абайлдаев Ә.О., Шарипов К.О., Хакимжанов А.А.Очистка и характеристика α-амилазы и протеазы фитопатогенного гриба Fusarium graminearum // Eurasian Journal of Applied Biotechnology. – 2022. – №3. – С. 3-13. https://doi.org/10.11134/btp.3.2022.1.
• Магазова А.Р., Аширбеков Е.Е., Абайлдаев А.О., Саткен Қ.С., Балмуханова А.М., Аканов Ж.А., Балмуханова А.В., Шарипов К.О. Полиморфизм BglII гена ITGA2 у пациентов с диабетической ретинопатией в казахстанской популяции // Наука и Здравоохранение. – 2022. – Т.24, № 2. – С. 63-70. DOI 10.34689/SH.2022.24.2.008.
• Абдолла Н., Абидкулова К.Т., Ыдырыс Ә., Мухитдинов Н.М. Алматы облысының агробиостанция жағдайда өсiрiлген Linaria vulgaris Mill дәрiлiк өсiмдiгiнiң фитохимиялық құрам ерекшелiгi // Вестник КазНУ. Серия экологическая. – 2022. – №3. – С. 70-80. https://doi.org/10.26577/EJE.2022.v72.i3.07.
• Nizkorodova A.S., Maltseva E.R., Naizabayeva D.A., Skiba Yu.A., Alexandrova A.M., Nargilova R.M. Universal primers and fluorescent probe detect reference 18S rRNA gene in all vertebrates // Experimental Biology. – 2022. – №3. – P. 121-129. https://doi.org/10.26577/eb.2022.v92.i3.010.
• Кузовлев В.А., Абайлдаев Ә.О., Хакимжанов А.А. Активность и компонентный состав защитных белков в зерне и проростках пшеницы, ячменя и овса // Вестник КазНУ. Серия биологическая. – 2022. – № 3. – С. 109-120. https://doi.org/10.26577/eb.2022.v92.i3.09.
• Абайлдаев Ә.О., Кузовлев В.А., Хакимжанов А.А. Оптимизация питательной среды для продукции протеазы фитопатогенным грибом Fusarium graminearum и характеристика фермента // Вестник Карагандинского университета. Сер. «Биол. Мед. География». – 2022. – №3. – С.7-17 https://doi.org/10.31489/2022BMG3/7-15
• Исмагулова Г., Байжуманова С., Искакова Г., Байсапарова Д., Мендеш А., Тусипова А., Скиба Ю., Мальцева Э., Найзабаева Д., Есимбекова М., Мукин К. Дәнді дақыл сорттарының β-глюкан синтезіне жауапты гендардің скринингі // Eurasian Journal of Applied Biotechnology. – 2022. – №4. – С.75-82 – https://doi.org/10.11134/btp.4.2022.10.

Доклады на международных научных конференциях:

• Байжуманова С.С., Исмагулова Г.А., Искакова Г.А., Байсапарова Д. О., Мендеш А.М., Тусипова А.А., Саби А.Б. Характеристика сортов ячменя на наличие генов синтеза β-глюкана / Тезис доклад VII Международной научной конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы аграрной науки», 3-7 октября 2022 г. Севастополь, РФ.

Охранные документы:

1) Заявка на патент РК «Способ оценки степени скрытой дискретной фрагментации 18S рРНК в клетках растений путем детекции 55-нуклеотидного 5’-концевого фрагмента» (авторы: Жигайлов А.В., Искаков Б.К., Полимбетова Н.С., Крылдаков Р.В.) 2021/0677.1 от 04.11.2021.

2) Заявка на патент РК «Способ одновременной диагностики М, S, Y, X вирусов картофеля и вируса скручивания листьев» (авторы: Карпова О.В., Александрова А.М., Крылдаков Р.В., Наргилова Р.М., Ерискина Е.А., Рамазанова М., Искаков Б.К.) 2021/0735.1 от 03.12.2021.

Лабораторные регламенты, технологии, тесты:

1) Технология: «Технология оценки эпидемиологической ситуации вирусных поражений картофеля в отдельных регионах Казахстана». Алматы 2022. (утвержден: протокол №2 от 29.04.2022).

2) Лабораторный регламент: «Диагностика пяти вирусов картофеля (PVX. PVY, PVM, PVS, PRLV) с помощью реакции обратной транскрипции и мультиплексной полимеразной цепной реакции». Алматы 2022. (утвержден: протокол №3 от 29.04.2022).

3) Лабораторный регламент: «Биотехнология оценки уровня дискретной фрагментации 18S рРНК как маркера биотического стресса растений». Алматы 2022. (утвержден: протокол №4 от 29.04.2022).

4) Практические рекомендации для предотвращения распространения бактериального ожога среди эндемичных растений семейств Rosaceae (Розоцветные). Алматы 2022. (утвержден: протокол №5 от 21.09.2022).

5) Биохимический тест устойчивости зерна пшеницы к поражению грибом Fusarium. Алматы 2022. (утвержден: протокол №6 от 21.09.2022).