vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2026-1-o6vir-nw-2359Research ArticleИДЕНТИФИКАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ И ИХ ДИКИХ РОДИЧЕЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ПРОБЛЕМIDENTIFICATION OF THE DIVERSITY OF CULTIVATED PLANTS AND THEIR WILD RELATIVES FOR SOLVING FUNDAMENTAL AND APPLIED PROBLEMSХарактеристика и подбор SSR-маркеров для оценки генетического разнообразия образцов проса посевного (Panicum miliaceum L.)Characterization and selection of SSR markers for assessing the genetic diversity of proso millet (Panicum miliaceum L.) accessionshttps://orcid.org/0000-0003-1239-3641АрхестоваД. Х.ArkhestovaD. Kh.

Дженет Хазреталиевна Архестова, младший научный сотрудник, КБНЦ РАН; научный сотрудник, ИСХ КБНЦ РАН

360002 Россия, Нальчик, ул. Балкарова, 2, 360004 Россия; Нальчик, ул. Кирова, 224

Dzhenet Kh. Arkhestova, Associate Researcher,  KBSC RAS; Researcher, Institute of Agriculture – branch of the KBSC RAS

2 Balkarova St., Nalchik 360002, Russia; 224 Kirova St., Nalchik 360004, Russia

khavpacheva.dzhenet@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5187-3229ХаудовА. Д.KhaudovA. D.

Алий-Бек Данильбекович Хаудов, научный сотрудник,  КБНЦ РАН; научный сотрудник, ИСХ КБНЦ РАН 

360002 Россия, Нальчик, ул. Балкарова, 2, 360004 Россия; Нальчик, ул. Кирова, 224

Aliy-bek D. Khaudov, Researcher, KBSC RAS; Researcher, Institute of Agriculture – branch of the KBSC RAS

2 Balkarova St., Nalchik 360002, Russia; 224 Kirova St., Nalchik 360004, Russia

aliy-beck@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5069-7390КулеминаТ. В.KuleminaT. V.

Татьяна Владимировна Кулемина, младший научный сотрудник,  ВИР

190000 Россия, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Tatiana V. Kulemina, Associate Researcher, VIR

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000, Russia

kkku@ya.ruКабардино-Балкарский научный центр Российской академии наук; Институт сельского хозяйства - филиал КБНЦ РАНРоссияKabardin-Balkar Scientific Center of the Russian Academy of Sciences; Institute of Agriculture – branch of the KBSC RASRussian FederationКабардино-Балкарский научный центр Российской академии наук; Институт сельского хозяйства - филиал КБНЦ РАНРоссияKabardin-Balkar Scientific Center of the Russian Academy of Sciences; Institute of Agriculture – branch of KBSC RASRussian FederationФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. ВавиловаРоссияN.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic ResourcesRussian Federation2026300320261871217227Copyright © Архестова Д.Х., Хаудов А.Д., Кулемина Т.В., 20262026Архестова Д.Х., Хаудов А.Д., Кулемина Т.В.Arkhestova D.K., Khaudov A.D., Kulemina T.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://elpub.vir.nw.ru/jour/article/view/2359Актуальность

Актуальность. Просо посевное (Panicum miliaceum L.) – цельнозерновая культура, богатая питательными веществами, с коротким вегетационным периодом, что делает его удобным для выращивания в различных агроэкологических зонах. Изучение генетического разнообразия проса в коллекциях важно для сохранения генетических ресурсов и селекции. SSR-маркеры благодаря высокому полиморфизму широко используются для анализа генетического материала растений.

Материалы и методы

Материалы и методы. На основе литературных данных отобраны 7 SSR-маркеров и оценена их возможность выявлять генетическую вариабельность 13 образцов проса коллекции ВИР из разных агроэкологических зон методом ПЦР с последующим электрофорезом в агарозном геле. Геномную ДНК выделяли из этиолированных проростков модифицированным CTAB-методом. Рассчитаны параметры генетической вариабельности: число аллелей (Na), эффективное число аллелей (Ne), ожидаемая гетерозиготность (He) и полиморфное информационное содержание (PIC). Матрицу генетических расстояний строили на основе коэффициента Нея. Анализ главных координат (PCoA) и филогенетическое дерево (UPGMA) построены с использованием программы DARwin 6.0.21.

Результаты

Результаты. Из отобранных семи SSR-маркеров четыре (GB-PMM-073, GB-PMM-085, GB-PMM-121, GB-PMM-126) выявляли полиморфизм анализируемых образцов, остальные три (SSR 28, SSR 109, SSR 332) были мономорфны. Всего выявлено 19 аллельных вариантов, среднее число аллелей на один SSR-локус составило 2,7, среднее значение PIC – 0,471. Два маркера (GB-PMM-121, GB-PMM-073) продемонстрировали высокий уровень информативности (PIC > 0,6). Полученные ПЦР-продукты 13 образцов проса секвенировали, что позволило выявить дополнительные аллельные варианты в структуре последовательностей.

Заключение

Заключение. Предварительные результаты позволяют рекомендовать выявленные полиморфные маркеры для оценки и генотипирования коллекций проса и характеристики селекционного материала.

Background

Background. Proso millet (Panicum miliaceum L.) is a nutrient-rich whole-grain crop with a short growing season, making it suitable for cultivation across diverse agro-ecological zones. Studying the genetic diversity of millet in germplasm collections is essential for genetic resources conservation and breeding practice. Due to their high polymorphism, SSR markers are widely used for the analysis of plant genetic material.

Materials and methods

Materials and methods. Seven SSR markers were selected on the basis of published data, and their ability to detect genetic variability was assessed in 13 millet accessions from the VIR collection. The accessions originating from different agro-ecological zones were studied with PCR, followed by agarose gel electrophoresis. Genomic DNA was extracted from etiolated seedlings using a modified CTAB method. Genetic variability parameters were calculated: number of alleles (Na), effective number of alleles (Ne), expected heterozygosity (He), and polymorphic information content (PIC). Nei’s coefficient was used to construct a genetic distance matrix. Principal coordinate analysis (PCoA) and a phylogenetic tree (UPGMA) were made using DARwin 6.0.21.

Results

Results. Out of the 7 selected SSR markers, four (GB-PMM-073, GB-PMM-085, GB-PMM-121, and GB-PMM-126) revealed polymorphism in the analyzed accessions, while the remaining three (SSR 28, SSR 109, and SSR 332) were monomorphic. A total of 19 allelic variants were detected. The average number of alleles per SSR-locus was 2.7, and the mean PIC value was 0.471. Two markers (GB-PMM-121, and GB-PMM-073) demonstrated a high level of informativeness (PIC > 0.6). The PCR products obtained from the 13 millet accessions were sequenced, making it possible to identify additional allelic variants in the sequence structure.

Conclusion

Conclusion. Preliminary results suggest that the identified polymorphic markers can be recommended for assessing and genotyping millet germplasm collections, and for characterization of breeding material.

праймерамплификациягенетическое разнообразиегенотипированиеprimeramplificationgenetic diversitygenotypingРабота выполнена в рамках государственного задания согласно тематическому плану Кабардино-Балкарского научного центра РАН по теме НИР № 125032604435-7 «Методы молекулярной идентификации феногенетических процессов в интересах повышения продуктивности селекций растений и животных» и тематическому плану ВИР по проекту № FGEM-2022-0009 «Структурирование и раскрытие потенциала наследственной изменчивости мировой коллекции зерновых и крупяных культур ВИР для развития оптимизированного генбанка и рационального использования в селекции и растениеводстве».The work was done within the framework of the state tasks according to the thematic plan of the Kabardin-Balkar Scientific Center of the RAS, Research Topic No. 125032604435-7 “Methods of molecular identification of phenogenetic processes to enhance the productivity of plant and animal breeding”, and the thematic plan of VIR, Project No. FGEM-2022-0009 “Structuring and disclosing the potential of hereditary variation in the global collection of cereal and groat crops at VIR for the development of an optimized genebank and its sustainable utilization in plant breeding and crop production”.ReferencesAbdi S., Dwivedi A., Shashi, Kumar S., Bhat V. Development of EST-SSR markers in Cenchrus ciliaris and their applicability in studying the genetic diversity and cross-species transferability. Journal of Genetics. 2019;98(4):101. DOI: 10.1007/s12041-019-1142-xAbdi S., Dwivedi A., Shashi, Kumar S., Bhat V. Development of EST-SSR markers in Cenchrus ciliaris and their applicability in studying the genetic diversity and cross-species transferability. Journal of Genetics. 2019;98(4):101. DOI: 10.1007/s12041-019-1142-xAgarwal M., Shrivastava N., Padh H. Advances in molecular marker techniques and their replications in plant sciences. Plant Cell Reports. 2008;27(4):617-631. DOI: 10.1007/s00299-008-0507-zAgarwal M., Shrivastava N., Padh H. Advances in molecular marker techniques and their replications in plant sciences. Plant Cell Reports. 2008;27(4):617-631. DOI: 10.1007/s00299-008-0507-zАрхестова Д.Х., Яхутлова А.А., Хаудов А.Д., Сокурова Л.Х., Кулемина Т.В. Эффективность ISSR-маркеров для выявления вариабельности генома образцов проса посевного (Panicum miliaceum L.). Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2024;185(1):161-171. DOI: 10.30901/2227-8834-2024-1-161-171Arkhestova D.Kh., Yakhutlova A.A., Khaudov A.D., Sokurova L.Kh., Kulemina T.V. Effectiveness of ISSR markers for detecting genomic variability in Panicum miliaceum L. accessions. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2024;185(1):161-171. [in Russian]. DOI: 10.30901/2227-8834-2024-1-161-171Balli D., Bellumori M., Masoni A., Moretta M., Palchetti E., Bertaccini B. et al. Proso millet (Panicum miliaceum L.) as alternative source of starch and phenolic compounds: A study on twenty-five worldwide accessions. Molecules. 2023;28(17):6339. DOI: 10.3390/molecules28176339Balli D., Bellumori M., Masoni A., Moretta M., Palchetti E., Bertaccini B. et al. Proso millet (Panicum miliaceum L.) as alternative source of starch and phenolic compounds: A study on twenty-five worldwide accessions. Molecules. 2023;28(17):6339. DOI: 10.3390/molecules28176339Bhat S., Nandini C.A.V., Srinathareddy S., Jayarame G., Prabhakar K. Proso millet (Panicum miliaceum L.) – a climate resilient crop for food and nutritional security: A review. Environment Conservation Journal. 2019;20(3):113-124. DOI: 10.36953/ECJ.2019.20315Bhat S., Nandini C.A.V., Srinathareddy S., Jayarame G., Prabhakar K. Proso millet (Panicum miliaceum L.) – a climate resilient crop for food and nutritional security: A review. Environment Conservation Journal. 2019;20(3):113-124. DOI: 10.36953/ECJ.2019.20315Cho Y.I., Chung J.W., Lee G.A., Ma K.H., Dixit A., Gwag J.G. et al. Development and characterization of twenty-five new polymorphic microsatellite markers in proso millet (Panicum miliaceum L.). Genes and Genomics. 2010;32(3):267-273. DOI: 10.1007/s13258-010-0007-8Cho Y.I., Chung J.W., Lee G.A., Ma K.H., Dixit A., Gwag J.G. et al. Development and characterization of twenty-five new polymorphic microsatellite markers in proso millet (Panicum miliaceum L.). Genes and Genomics. 2010;32(3):267-273. DOI: 10.1007/s13258-010-0007-8Cuevas H.E., Prom L.K. Evaluation of genetic diversity, agronomic traits, and anthracnose resistance in the NPGS Sudan Sorghum Core collection. BMC Genomics. 2020;21(1):88. DOI: 10.1186/s12864-020-6489-0Cuevas H.E., Prom L.K. Evaluation of genetic diversity, agronomic traits, and anthracnose resistance in the NPGS Sudan Sorghum Core collection. BMC Genomics. 2020;21(1):88. DOI: 10.1186/s12864-020-6489-0Elshire R.J., Glaubitz J.C., Sun Q., Poland J.A., Kawamoto K., Buckler E.S. et al. A robust, simple genotyping-by-sequencing (GBS) approach for high diversity species. PLoS One. 2011;6(5):e19379. DOI: 10.1371/journal.pone.0019379Elshire R.J., Glaubitz J.C., Sun Q., Poland J.A., Kawamoto K., Buckler E.S. et al. A robust, simple genotyping-by-sequencing (GBS) approach for high diversity species. PLoS One. 2011;6(5):e19379. DOI: 10.1371/journal.pone.0019379ФAO. Просо России. Москва: ФАО; 2024. DOI: 10.4060/cd0716ruFAO. Millet in Russia (Proso Rossii). Moscow: FAO; 2024. [in Russian] (ФAO. Просо России. Москва: ФАО; 2024). DOI: 10.4060/cd0716ruФилюшин М.А., Щенникова А.В., Кочиева Е.З. Характеристика генов антоцианидин-3-О-глюкозилтрансфераз перца (Capsicum spp.) и их роль в биосинтезе антоцианов. Генетика. 2023;59(5):517-529. DOI: 10.31857/S0016675823050041Filyushin M.A., Shchennikova A.V., Kochieva E.Z. Antocyanidin-3-O-glucosyltransferase genes in pepper (Capsicum spp.) and their role in anthocyanine biosynthesis. Russian Journal of Genetics. 2023;59(5):517-529. [in Russian]. DOI: 10.31857/S0016675823050041Flajsman M., Stajner N., Kocjan Acko D. Genetic diversity and agronomic performance of Slovenian landraces of proso millet (Panicum miliaceum L.). Turkish Journal of Botany. 2019;43(2):185-195. DOI: 10.3906/bot-1807-83Flajsman M., Stajner N., Kocjan Acko D. Genetic diversity and agronomic performance of Slovenian landraces of proso millet (Panicum miliaceum L.). Turkish Journal of Botany. 2019;43(2):185-195. DOI: 10.3906/bot-1807-83Gami P.B., Solanki S.D., Prajapati C.D., Patel M.S. Study of genetic architecture for yield related traits in pearl millet [Pennisetum glaucum (L.) R. Br.]. Pharma Innovation. 2021;10(12):128-133. DOI: 10.22271/tpi.2021.v10.i12b.9351Gami P.B., Solanki S.D., Prajapati C.D., Patel M.S. Study of genetic architecture for yield related traits in pearl millet [Pennisetum glaucum (L.) R. Br.]. Pharma Innovation. 2021;10(12):128-133. DOI: 10.22271/tpi.2021.v10.i12b.9351Hunt H.V, Vander Linden M., Liu X., Motuzaite-Matuzevicuite G., Colledge S., Jones M.K. Millets across Eurasia: chronology and context of early records of the genera Panicum and Setaria from archaeological sites in the Old World. Vegetation History and Archaeobotany. 2008;17 Suppl 1:5-18. DOI: 10.1007/s00334-008-0187-1Hunt H.V, Vander Linden M., Liu X., Motuzaite-Matuzevicuite G., Colledge S., Jones M.K. Millets across Eurasia: chronology and context of early records of the genera Panicum and Setaria from archaeological sites in the Old World. Vegetation History and Archaeobotany. 2008;17 Suppl 1:5-18. DOI: 10.1007/s00334-008-0187-1Kalia R.K., Rai M.K., Kalia S., Singh R., Dhawan A.K. Microsatellite markers: An overview of the recent progress in plants. Euphytica. 2011;177(3):309-334. DOI: 10.1007/s10681-010-0286-9Kalia R.K., Rai M.K., Kalia S., Singh R., Dhawan A.K. Microsatellite markers: An overview of the recent progress in plants. Euphytica. 2011;177(3):309-334. DOI: 10.1007/s10681-010-0286-9Кулемина Т.В., Хорева В.И., Шеленга Т.В., Курцева А.Ф., Сидоренко В.С. Биохимические показатели качества зерна просовидных культур в условиях юга Нечерноземной зоны РФ. Аграрная Россия. 2010;(1):19-23. DOI: 10.30906/1999-5636-2010-1-19-23Kulemina T.V., Khoreva V.I., Shelenga T.V., Kurtseva A.F., Sidorenko V.S. The grain quality of milletlike cultures in conditions of the south Nonblack Earth Zone of Russia. Аgrarian Russia. 2010;(1):19-23. [in Russian]. DOI: 10.30906/1999-5636-2010-1-19-23Liu S., Feuerstein U., Luesink W., Schulze S., Asp T., Studer B. et al. DArT, SNP, and SSR analyses of genetic diversity in Lolium perenne L. using bulk sampling. BMC Genetics. 2018;19(1):10. DOI: 10.1186/s12863-017-0589-0Liu S., Feuerstein U., Luesink W., Schulze S., Asp T., Studer B. et al. DArT, SNP, and SSR analyses of genetic diversity in Lolium perenne L. using bulk sampling. BMC Genetics. 2018;19(1):10. DOI: 10.1186/s12863-017-0589-0Lu H., Zhang J., Liu K.B., Wu N., Li Y., Zhou K. et al. Earliest domestication of common millet (Panicum miliaceum) in East Asia extended to 10,000 years ago. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2009;106(18):7367-7372. DOI: 10.1073/pnas.0900158106Lu H., Zhang J., Liu K.B., Wu N., Li Y., Zhou K. et al. Earliest domestication of common millet (Panicum miliaceum) in East Asia extended to 10,000 years ago. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2009;106(18):7367-7372. DOI: 10.1073/pnas.0900158106Mohammadi S.A., Prasanna B.M. Analysis of genetic diversity in crop plants – Salient statistical tools and considerations. Crop Science. 2003;43(4):1235-1248. DOI: 10.2135/cropsci2003.1235Mohammadi S.A., Prasanna B.M. Analysis of genetic diversity in crop plants – Salient statistical tools and considerations. Crop Science. 2003;43(4):1235-1248. DOI: 10.2135/cropsci2003.1235Nei M. Analysis of gene diversity in subdivided populations. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1973;70(12):3321-3323. DOI: 10.1073/pnas.70.12.3321Nei M. Analysis of gene diversity in subdivided populations. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1973;70(12):3321-3323. DOI: 10.1073/pnas.70.12.3321Souza C.P.F., Ferreira C., de Souza E.H., Neto A.R.S., Marconcini J.M., da Silva Ledo C.A. et al. Genetic diversity and ISSR marker association with the quality of pineapple fiber for use in industry. Industrial Crops and Products. 2017;104:263-268. DOI: 10.1016/j.indcrop.2017.04.059Souza C.P.F., Ferreira C., de Souza E.H., Neto A.R.S., Marconcini J.M., da Silva Ledo C.A. et al. Genetic diversity and ISSR marker association with the quality of pineapple fiber for use in industry. Industrial Crops and Products. 2017;104:263-268. DOI: 10.1016/j.indcrop.2017.04.059Suvi W.T., Shimelis H.A., Laing M.D., Mathew I., Shayanowako A.I.T. Assessment of the genetic diversity and population structure of rice genotypes using SSR markers. Acta Agriculturae Scandinavica, Section B – Soil and Plant Science. 2019;70(1):76-86. DOI: 10.1080/09064710.2019.1670859Suvi W.T., Shimelis H.A., Laing M.D., Mathew I., Shayanowako A.I.T. Assessment of the genetic diversity and population structure of rice genotypes using SSR markers. Acta Agriculturae Scandinavica, Section B – Soil and Plant Science. 2019;70(1):76-86. DOI: 10.1080/09064710.2019.1670859Temnykh S., Park W.D., Ayres N., Cartinhour S., Hauck N., Lipovich L. et al. Mapping and genome organization of microsatellite sequences in rice (Oryza sativa L.). Theoretical and Applied Genetics. 2000;100(5):697-712. DOI: 10.1007/s001220051342Temnykh S., Park W.D., Ayres N., Cartinhour S., Hauck N., Lipovich L. et al. Mapping and genome organization of microsatellite sequences in rice (Oryza sativa L.). Theoretical and Applied Genetics. 2000;100(5):697-712. DOI: 10.1007/s001220051342Zargar M., Dyussibayeva E., Orazov A., Zeinullina A., Zhirnova I., Yessenbekova G. et al. Microsatellite-based genetic diversity analysis and population structure of proso millet (Panicum miliaceum L.) in Kazakhstan. Agronomy. 2023;13(10):2514. DOI: 10.3390/agronomy13102514Zargar M., Dyussibayeva E., Orazov A., Zeinullina A., Zhirnova I., Yessenbekova G. et al. Microsatellite-based genetic diversity analysis and population structure of proso millet (Panicum miliaceum L.) in Kazakhstan. Agronomy. 2023;13(10):2514. DOI: 10.3390/agronomy13102514

The authors declare that there are no conflicts of interest present.