Изучение генетической структуры коллекции сортов райграса (Lolium) с использованием SSR- и SCoT-маркеров

Актуальность. С помощью современных молекулярно-генетических методов анализа можно существенно ускорить процесс создания новых сортов, упростить и повысить точность оценки исходного материала. В настоящей работе изучена эффективность использования техник SSR- и SCoT-маркирования для оценки генетической структуры коллекции образцов райграса пастбищного и однолетнего и определения набора сортоспецифичных маркеров для ДНК-идентификации.

Материалы и методы. Геномную ДНК выделяли из суммарной навески 30 проростков от каждого из 15 исследуемых образцов с помощью модифицированного SDS-метода. Для анализа сортов райграса использовали 20 SSR- и 22 SCoT-маркера. Определили показатели эффективности для информативных локусов. Генетические взаимосвязи между сортами оценили с помощью дендрограммы, составленной методом Neighbor-Joining (NJ), и путем анализа на основе байесовской модели.

Результаты. Для оценки генетического полиморфизма видов и сортов райграса были отобраны 7 SSR-локусов, для которых выявлено 110 аллельных вариантов (34 аллели оказались уникальными для отдельных сортов), и 9 SCoT-локусов, для которых выявлено 78 полиморфных фрагментов амплификации (28 из них являлись сортоспецифичными). Дендрограмма сходства и моделирование в программе Structure v.2.3.4 по результатам SSR- и SCoT-анализов распределили сорта согласно видовой принадлежности, уровню плоидности, происхождению и сходству по основным признакам. С помощью анализа главных координат (PCoA), проведенного на основе объединенных данных бинарных матриц, построена многомерная диаграмма генетических взаимосвязей между сортами райграса.

Заключение. Системы SSR- и SCoT-маркирования оказались достаточно эффективными для изучения генетического полиморфизма и различения видов и сортов райграса. Обнаружены уникальные ДНК-профили, которые можно использовать для генетической идентификации. Результаты исследования имеют практическую значимость при сортовой идентификации и в селекции сортов разного назначения.

1. Amar M.H., Biswas M.K., Zhang Z., Guo W.W. Exploitation of SSR, SRAP and CAPS-SNP markers for genetic diversity of Citrus germplasm collection. Scientia Horticulturae. 2011;128(3):220-227. DOI: 10.1016/j.scienta.2011.01.021

2. Amiryousefi A., Hyvönen J., Poczai P. iMEC: Online marker efficiency calculator. Applications in Plant Sciences. 2018;6(6):e01159. DOI: 10.1002/aps3.1159

3. Bolaric S., Barth S., Melchinger A.E., Posselt U.K. Molecular genetic diversity within and among German ecotypes in comparison to European perennial ryegrass cultivars. Plant Breeding. 2005;124(3):257-262. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2005.01108.x

4. Bostan C., Rechitean D., Istrate-Schiller C., Horablaga N.M., Bordean M.D., Bostan Pinisoara N. et al. Feed quality and productivity in some varieties of Italian ryegrass – Lolium multiflorum Lam. Life Science and Sustainable Development. 2022;3(2):107-113. DOI: 10.58509/lssd.v3i2.215

5. Collard B.C.Y., Mackill D.J., Start codon targeted (SCoT) polymorphism: a simple, novel DNA marker technique for generating gene-targeted markers in plants. Plant Molecular Biology Reporter. 2009;27(1):86-93. DOI: 10.1007/s11105-008-0060-5

6. Crossa J. Methodologies for estimating the sample size required for genetic conservation of outbreeding crops. Theoretical and Applied Genetics. 1989;77:153-161. DOI: 10.1007/BF00266180

7. Дьяченко О.В., Дронов А.В., Слёзко Е.И. Возделывание многолетних травосмесей как способ эффективного обеспечения кормопроизводства Брянской области. Вестник Брянской государственной сельскохозяйственной академии. 2016;6(58):29-33.

8. Earl D.A., VonHoldt B.M. Structure Harvester: a website and program for visualizing STRUCTURE output and implementing the Evanno method. Conservation Genetics Resources. 2012;4(2):359-361. DOI: 10.1007/s12686-011-9548-7

9. Evanno G., Regnaut S., Goudet J. Detecting the number of clusters of individuals using the software STRUCTURE: a simulation study. Molecular Ecology. 2005;14(8):2611-2620. DOI: 10.1111/j.1365-294X.2005.02553.x

10. Falush D., Stephens M., Pritchard J.K. Inference of population structure using multilocus genotype data: linked loci and correlated allele frequencies. Genetics. 2003;164(4):1567-1587. DOI: 10.1093/genetics/164.4.1567

11. Fojtík A. Methods of grass improvement used at the Plant Breeding Station Hladké Životice. Genetica Polonica. 1994;35(A):25-31.

12. Forster J.W., Jones E.S., Kölliker R., Drayton M.C., Dumsday J.L., Dupal M.P. et al. Development and implementation of molecular markers for forage crop improvement. In: G. Spandenberg (ed.). Molecular Breeding of Forage Crops: Developments in Plant Breeding. Vol. 10. Proceedings of the 2nd International Symposium, Lorne and Hamilton, Victoria, Australia, November 19–24, 2000. Dordrecht: Springer; 2000. p.101-133. DOI: 10.1007/978-94-015-9700-5_6

13. Forster J.W., Jones E.S., Kölliker R., Drayton M.C., Dupal M.P., Guthridge K.M. et al. Application of DNA profiling to an outbreeding forage species. In: R.J. Henry (ed.). Plant Genotyping: the DNA Fingerprinting of Plants. Oxford: CABI; 2001. p.299-320. DOI: 10.1079/9780851995151.0299

14. Guo Z.H., Fu K.X., Zhang X.Q., Zhang C.L., Sun M., Huang T. et al. SSRs transferability and genetic diversity of three allogamous ryegrass species. Comptes Rendus Biologies. 2016;339(2):60-67. DOI: 10.1016/j.crvi.2015.12.004

15. Guthridge K.M., Dupal M.P., Kölliker R., Jones E.S., Smith K.F., Forster J.W. AFLP analysis of genetic diversity within and between populations of perennial ryegrass (Lolium perenne L). Euphytica. 2001;122:191-201. DOI: 10.1023/A:1012658315290

16. Huff D.R. RAPD characterization of heterogenous perennial ryegrass cultivars. Crop Science. 1997;37(2):557-564. DOI: 10.2135/cropsci1997.0011183X003700020041x

17. Jiang L.F., Qi X., Zhang X.Q., Huang L.K., Ma X., Xie W.G. Analysis of diversity and relationships among orchardgrass (Dactylis glomerata L.) accessions using start codon-targeted markers. Genetics and Molecular Research. 2014;13(2):4406-4418. DOI: 10.4238/2014.June.11.4

18. Jones E.S., Dupal M.P., Kölliker R., Drayton M.C., Forster J.W. Development and characterisation of simple sequence repeat (SSR) markers for perennial ryegrass (Lolium perenne L.). Theoretical and Applied Genetics. 2001;102:405-415. DOI: 10.1007/s001220051661

19. Генетические основы селекции растений / под ред. А.В. Кильчевского, Л.В. Хотылевой. Минск: Национальная академия наук Беларуси; 2012.

20. Клименко И.А., Козлов Н.Н., Костенко С.И., Шамустакимова А.О., Мавлютов Ю.М. Идентификация и паспортизация сортов кормовых трав (клевера лугового, люцерны изменчивой, посевной и хмелевидной) на основе ДНК-маркеров: методические рекомендации. Лобня: Федеральный научный центр кормопроизводства и агроэкологии им. В.Р. Вильямса; 2020. DOI: 10.33814/978-5-6043194-9-9

21. Клименко И.А., Козлов Н.Н., Шамустакимова А.О., Душкин В.А. Адаптивное кормопроизводство. 2019;(4):89-100. DOI: 10.33814/AFP-2222-5366-2019-4-89-100

22. Kölliker R, Jones E.S, Jahufer M.Z.Z., Forster J.W. Bulked AFLP analysis for the assessment of genetic diversity in white clover (Trifolium repens L.). Euphytica. 2001;121(3):305-315. DOI: 10.1023/A:1012048103585

23. Конарев А.В., Перчук И.Н. Белковые маркеры – эффективный инструмент оценки состояния in-situ и ex-situ-генетического разнообразия, качества семеноводства, а также сопровождения селекционного процесса у злаковых трав. Современное состояние и перспективы развития лугового кормопроизводства в XXI веке. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный аграрный университет; 2018. С.57-65.

24. Косолапов В.М., Костенко С.И., Пилипко С.В. Адаптивные сорта кормовых трав для экстремальных условий России. Достижения науки и техники АПК. 2013a;(7):71-73.

25. Косолапов В.М., Шамсутдинов З.Ш., Костенко С.И., Пилипко С.В., Тюрин Ю.С., Писковацкий Ю.М., Новоселов М.Ю., Козлов Н.Н., Переправо Н.И., Соложенцева Л.Ф., Степанова Г.В., Коровина В.Л., Клочкова В.С., Дробышева Л.В., Зятчина Г.П., Писковацкая Р.Г., Старшинова О.А., Макаева А.М., Шматкова А.А., Воловик В.Т., Сергеева С.Е., Золотарев В.Н., Шамсутдинова Э.З., Разгуляева Н.В., Костенко Н.Ю., Пуца Н.М., Коренев В.Б., Иванов И.С., Сапрыкина Н.В., Трузина Л.А., Чуйков В.А., Георгиади Н.И. Сорта кормовых культур селекции ФГБНУ «Федеральный научный центр кормопроизводства и агроэкологии имени В.Р. Вильямса»: монография. Лобня: Федеральный научный центр кормопроизводства и агроэкологии им. В.Р. Вильямса; 2019. URL: https://www.vniikormov.ru/pdf/sorta-kormovyhkultur-selekcii-vik.pdf [дата обращения: 16.02.2023].

26. Косолапов В.М., Трофимов И.А., Трофимова Л.С. Кормопроизводству – сбалансированное развитие. АПК: Экономика, управление. 2013b;(7):15-23.

27. Костенко С.И., Косолапов В.М., Пилипко С.В., Костенко Е.С. Селекция многолетних злаковых трав для адаптивного кормопроизводства. Кормопроизводство. 2016;(8):35-39.

28. Kubik C., Sawkins M., Meyer W.A., Gaut B.S. Genetic diversity in seven perennial ryegrass (Lolium perenne L.) cultivars based on SSR markers. Crop Science. 2001;41(5):1565-1572. DOI: 10.2135/cropsci2001.4151565x

29. Lauvergeat V., Barre P., Bonnet M., Ghesquière M. Sixty simple sequence repeat markers for use in the Festuca– Lolium complex of grasses. Molecular Ecology Notes. 2005;5(2):401-405. DOI: 10.1111/j.1471-8286.2005.00941.x

30. Liu 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/s12863-017-0589-0

31. Loera-Sánchez M., Studer B., Kölliker R. DNA-based assessment of genetic diversity in grassland plant species: challenges, approaches, and applications. Agronomy. 2019;9(12):881. DOI: 10.3390/agronomy9120881

32. Muylle H., Baert J., Van Bockstaele E., Moerkerke B., Goetghebeur E., Roldán-Ruiz I. Identification of molecular markers linked with crown rust (Puccinia coronata f. sp. lolii) resistance in perennial ryegrass (Lolium perenne) using AFLP markers and a bulked segregant approach. Euphytica. 2005;143(1):135-144. DOI: 10.1007/s10681-005-3058-1

33. Nie G., Huang T., Ma X., Huang L., Peng Y., Yan Y. et al. Genetic variability evaluation and cultivar identification of tetraploid annual ryegrass using SSR markers. PeerJ. 20019;7:e7742. DOI: 10.7717/peerj.7742

34. Омашева М.Е., Аубакирова К.П., Рябушкина Н.А. Молекулярные маркеры. Причины и последствия ошибок генотипирования. Биотехнология. Теория и практика. 2013;(4):20-28. DOI: 10.11134/btp.4.2013.3

35. Pasquali E., Palumbo F., Barcaccia G. Assessment of the genetic distinctiveness and uniformity of pre-basic seed stocks of Italian ryegrass varieties. Genes. 2022;13(11):2097. DOI: 10.3390/genes13112097

36. Peakall R., Smouse P.E. GenAlEx 6: Genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research. Molecular Ecology Notes. 2006;6(1):288-295. DOI: 10.1111/j.1471-8286.2005.01155.x

37. Perrier X., Jacquemoud-Collet J.P. DARwin software. Paris: CIRAD; 2006. Available from: https://darwin.cirad.fr/ [accessed Mar. 02, 2023].

38. Pirnajmedin F., Majidi M.M., Barre P., Kölliker R., Saeidi G. Enhanced polycross breeding of tall fescue through marker-based paternity identification and estimation of combining ability. Euphytica. 2020;216(9):139. DOI: 10.1007/s10681-020-02671-1

39. Pritchard J.K., Stephens M., Donnelly P. Inference of population structure using multilocus genotype data. Genetics. 2000;155(2):945-959. DOI: 10.1093/genetics/155.2.945

40. Safari H., Zebarjadi A., Kahrizi D., Jafari A.A. The study of inter-specific relationships of Bromus genus based on SCoT and ISSR molecular markers. Molecular Biology Reports. 2019;46(5):5209-5223. DOI: 10.1007/s11033-019-04978-2

41. Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию: [сайт]. URL: https://reestr.gossortrf.ru [дата обращения 01.02.2023].

42. Studer B., Asp T., Frei U., Hentrup S., Meally H., Guillard A., et al. Expressed sequence tag-derived microsatellite markers of perennial ryegrass (Lolium perenne L.). Molecular Breeding. 2008;21:533-548. DOI: 10.1007/s11032-007-9148-0

43. Сухарева А.С., Кулуев Б.Р. ДНК-маркеры для генетического анализа сортов культурных растений. Биомика. 2018;10(1):69-84. DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2018-15

44. Sweeney P.M., Danneberger T.K. Random amplified polymorphic DNA in perennial ryegrass: A comparison of bulk samples vs. individuals. Horticultural Science. 1994;29(6):624-626. DOI: 10.21273/HORTSCI.29.6.624

45. Wang J., Dobrowolski M.P., Cogan N.O., Forster J.W., Smith K.F. Assignment of individual genotypes to specific forage cultivars of perennial ryegrass based on SSR markers. Crop Science. 2009;49(1):49-58. DOI: 10.2135/cropsci2008.03.0177

46. Yan H., Zhang Y., Zeng B., Yin G., Zhang X., Ji Y. et al. Genetic diversity and association of EST-SSR and SCoT markers with rust traits in orchardgrass (Dactylis glomerata L.). Molecules. 2016;21(1):66. DOI: 10.3390/molecules21010066

47. Zeng B., Zhang Y., Huang L.K., Jiang X.M, Luo D., Yin G. Genetic diversity of orchardgrass (Dactylis glomerata L.) germplasms with resistance to rust diseases revealed by Start Codon Targeted (SCoT) markers. Biochemical Systematics and Ecology. 2014;54(1):96-102. DOI: 10.1016/j.bse.2013.12.028