Эффективность ISSR-маркеров для выявления вариабельности генома образцов проса посевного (Panicum miliaceum L.)

Актуальность. Просо посевное – одна из основных зерновых культур с широким ареалом возделывания. За последнее десятилетие наблюдается значительный рост потребления проса и продуктов его переработки. Как следствие, становится актуальной селекция сортов с высокими потребительскими свойствами, что требует знания генетического разнообразия образцов для выявления доноров хозяйственно ценных признаков и подбора родительских форм с помощью ISSR-маркеров.

Материалы и методы. Проанализировали 21 образец Panicum miliaceum L. коллекции ВИР из разных мест происхождения с использованием восьми ISSR-праймеров. Выделили ДНК каждого образца СТАВ-методом, провели ISSR-анализ в термоциклере BioRad T100 Thermal Cycler. Статистическую обработку выполнили в программе DARwin (версия 6.0.21).

Результаты и заключение. С помощью восьми праймеров было проамплифицировано 116 фрагментов, 62 (53,4%) из них оказались полиморфными. Для оценки эффективности анализируемых праймеров и выявления полиморфизма проса рассчитали основные показатели их информативности, которые оценивали расчетом четырех маркерных параметров. Для большинства ISSR-праймеров были получены средние значения PIC (0,27–0,36); EMR – 1,38–14,5; МI – 0,12–4,87. Четыре ISSR-праймера обладали высокими значениями Rp (3,52–6,76) и были наиболее информативными для генотипирования. Отобранные ISSR-маркеры использовали для оценки генетической изменчивости образцов и их идентификации. Значения генетических расстояний (GD) составили 0,05–0,21. Было показано, что четыре ISSR-маркера с наилучшими значениями информативности обеспечивают достаточный полиморфизм для оценки генетического разнообразия анализируемых генотипов P. miliaceum и могут быть рекомендованы для выявления вариабельности генома образцов проса.

1. Agarwal 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-z

2. Ajithkumar I.P, Panneerselvam R. Analysis of intra specific variation in Setaria italic (L.) P. Beauv landraces using RAPD and ISSR markers. International Journal of Research in Biochemistry and Biophysics. 2013;3(2):15-20.

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

4. Awika J.M. Major cereal grains production and use around the world. In: J.M. Awika, V. Piironen, S. Bean (eds). Advances in Cereal Science: Implications to Food Processing and Health Promotion. Washington DC: American Chemical Society; 2011. p.1-13. DOI: 10.1021/bk-2011-1089.ch001

5. Botstein D., White R.L., Skolnick M., Davis R.W. Construction of a genetic linkage map in man using restriction fragment length polymorphisms. American Journal of Human Genetics. 1980;32(3):314-331.

6. Chesnokov Yu.V., Artemyeva A.M. Evaluation of the measure of polymorphism information of genetic diversity. Agricultural Biology. 2015;50(5):571-578. DOI: 10.15389/agrobiology.2015.5.571eng

7. Cho 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/s13258-010-0007-8

8. Colosi J.C., Schaal B.A. Wild proso millet (Panicum miliaceum) is genetically variable and distinct from crop varieties of proso millet. Weed Science. 1997;45(4):509-518. DOI: 10.1017/s0043174500088743

9. Cui C., Li Y., Liu Y., Li X., Luo S., Zhang Z. et al. Determination of genetic diversity among Saccharina germplasm using ISSR and RAPD markers. Comptes Rendus Biologies. 2017;340(2):76-86. DOI: 10.1016/j.crvi.2016.11.005

10. Das S., Khound R., Santra M., Santra D.K. Beyond bird seed: proso millet for human health and environment. Agriculture. 2019;9(3):64. DOI: 10.3390/agriculture9030064

11. Elshire 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.0019379

12. FAO Statistical Yearbook. World Food and Agriculture 2022. Rome: FAO; 2022. Available from: https://www.fao.org/3/cc2211en/online/cc2211en.html [accessed Apr. 12, 2023].

13. Филюшин 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/S0016675823050041

14. юGhimire B.K., Yu C.Y., Kim S.H., Chung I.M. Diversity in accessions of Panicum miliaceum L. based on agro-morphological, antioxidative, and genetic traits. Molecules. 2019;24(6):1012. DOI: 10.3390/molecules24061012

15. Habiyaremye C., Matanguihan J.B., D’Alpoim Guedes J., Ganjyal G.M., Whiteman M.R., Kidwell K.K. et al. Proso millet (Panicum miliaceum L.) and its potential for cultivation in the Pacific Northwest, U.S.: a review. Frontiers in Plant Science. 2017;7:1961. DOI: 10.3389/fpls.2016.01961

16. Hunt H.V., Linden M.V., 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/s00334-008-0187-1

17. Kalinova J.P., Tříska J., Horejší K. Comparison of the main constituents in two varieties of proso millet using GC–MS. Foods. 2023;12(12):2294. DOI: 10.3390/foods12122294

18. Karam D., Westra P., Nissen S.J. Ward S.M.; Figueiredo J.E.F. Genetic diversity among proso millet (Panicum miliaceum) biotypes assessed by AFLP technique. Planta Daninha. 2004;22(2):167-174. DOI: 10.1590/S0100-83582004000200001

19. Кулемина 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: 10.30906/1999-5636-2010-1-19-23

20. 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

21. Lu 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):7367-72. DOI: 10.1073/pnas.0900158106

22. M’Ribu H.K., Hilu K.W. Detection of interspecific and intraspecific variation in Panicum millets through random amplified polymorphic DNA. Theoretical and Applied Genetics. 1994;88(3-4):412-416. DOI: 10.1007/BF00223653

23. Narciso J.O., Nyström L. The genetic diversity and nutritional quality of proso millet (Panicum miliaceum) and its Philippine ecotype, the ancient grain “kabog millet”: a review. Journal of Agriculture and Food Research. 2023;11(2):100499. DOI: 10.1016/j.jafr.2023.100499

24. Powell W., Morgante M., Andre C., Hanafey M., Vogel J., Tingey S. et al. The comparison of RFLP, RAPD, AFLP and SSR (microsatellite) markers for germplasm analysis. Molecular Breeding. 1996;2(3):225-238. DOI: 10.1007/BF00564200

25. Prevost A., Wilkinson M.J. A new system of comparing PCR primers applied to ISSR fingerprinting of potato cultivars. Theoretical and Applied Genetics. 1999;98(1):107-112. DOI: 10.1007/s001220051046

26. Rajasekaran R., Francis N. Genetic and genomic resources for improving proso millet (Panicum miliaceum L.): a potential crop for food and nutritional security. The Nucleus. 2020;64(1):21-32. DOI: 10.1007/s13237-020-00331-2

27. Reddy M.P., Sarla N., Siddiq E.А. Inter simple sequence repeat (ISSR) polymorphism and its application in plant breeding. Euphytica. 2002;128(1):9-17. DOI: 10.1023/A:1020691618797

28. Saha D., Gowda V.С., Arya L., Verma M., Bansal K.C. Genetic and genomic resources of small millets. Critical Reviews in Plant Sciences. 2016;35(1):56-79. DOI: 10.1080/07352689.2016.1147907

29. Serrote C.M.L., Reiniger L.R.S., Silva K.B, dos Santos Rabaiolli S.M., Stefanel C.M. Determining the polymorphism information content of a molecular marker. Gene. 2020;726(1):144175. DOI: 10.1016/j.gene.2019.144175

30. Souza 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.2017.04.059

31. Sridhar R., Lakshminarayana G. Contents of total and lipid classes and composition of fatty acids in small millets: foxtail (Setaria italica), proso (Panicum miliaceum), and finger (Elelusine coracana). Cereal Chemistry. 1994;71(4):355-359.

32. Tessier C., David J.L, Tis P., Boursiquot J.M., Charrier A. Optimization of the choice of molecular markers for varietal identification in Vitis vinifera L. Theoretical and Applied Genetics. 1999;98(1):171-177. DOI: 10.1007/s001220051054

33. Тrivedi A.K., Arya L., Verma M., Verma S.K., Tyagi R.K., Hemantaranjan A. Genetic variability in proso millet (Panicum miliaceum) germplasm of Central Himalayan Region based on morpho-physiological traits and molecular markers. Acta Physiologiae Plantarum. 2015;37(2):23. DOI: 10.1007/s11738-014-1770-y

34. Varshney R.K., Chabane K., Hendre P.S., Aggarwal R.K., Graner A. Comparative assessment of EST-SSR, EST-SNP and AFLP markers for evaluation of genetic diversity and conservation of genetic resources using wild, cultivated and elite barleys. Plant Sciencе. 2007;173(6):638-649. DOI: 10.1016/j.plantsci.2007.08.010

35. Zhang Y., Yan H., Jiang X., Wang X., Huang L., Xu B. et al. Genetic variation, population structure and linkage disequilibrium in switchgrass with ISSR, SCoT and EST-SSR markers. Hereditas. 2016;153(1):4. DOI: 10.1186/s41065-016-0007-z