Восстановление архитектоники колоса древнего ячменя из раскопа Усвятского городища XII века
https://doi.org/10.30901/2227-8834-2024-3-199-209
Аннотация
Актуальность. В статье приводятся данные об архитектонике колосьев древнего ячменя XII века, найденного при раскопках Усвятского городища в 2019 г. Используя современные молекулярно-генетические подходы, были изучены гены доместикации (Btr1, Btr2, Vrs) древних и современных образцов ячменя коллекции ВИР.
Материалы и методы. Исследованы карбонизированные зерновки, найденные археологами при раскопках Усвят. Осуществлен дизайн праймеров генов доместикации и поставлены ПЦР с современными и древними зерновками ячменя. Работы по изучению древних зерновок выполняли согласно правилам организации палеогенетической лаборатории, исключающим контаминацию с современной ДНК. Фрагменты генов доместикации современных и древних образцов ячменя секвенировали по Сэнгеру.
Результаты исследования. Выполнено выделение древней ДНК и дальнейшее ее обогащение. Анализ последовательностей генов доместикации позволил восстановить особенности строения колоса древнего ячменя.
Заключение. Восстановлена архитектоника древних злаковых. Выявлено, что древний ячмень являлся двурядным и ломкоколосым.
Об авторах
Т. В. СемилетРоссия
Татьяна Вячеславовна Семилет, младший научный сотрудник
190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44
Н. В. Смирнова
Россия
Наталья Витальевна Смирнова, младший научный сотрудник
190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44
Н. А. Швачко
Россия
Наталия Альбертовна Швачко, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник, заведующая лабораторией
190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44
О. Н. Ковалева
Россия
Ольга Николаевна Ковалева, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник
190000, СанктПетербург, ул. Б. Морская, 42, 44
Е. К. Хлесткина
Россия
Елена Константиновна Хлесткина, доктор биологических наук, профессор РАН, директор; руководитель направления «Биология и биотехнология растений»
190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44;
354340, Краснодарский край, федеральная территория «Сириус», пгт. Сириус, Олимпийский пр., 1
Список литературы
1. Badr A., Sch K.M.R., El Rabey H., Effgen S., Ibrahim H.H., Pozzi C. et al. On the origin and domestication history of barley (Hordeum vulgare). Molecular Biology and Evolution. 2000;17(4):499-510. DOI: 10.1093/oxfordjournals.molbev.a026330
2. Bennett K.D., Parducci L. DNA from pollen: principles and potential. The Holocene. 2006;16(8):1031-1034. DOI: 10.1177/0959683606069383
3. Bilgic H., Hakki E.E., Pandey A., Khan M.K., Akkaya M.S. Ancient DNA from 8400 year-old Çatalhöyük wheat: implications for the origin of neolithic agriculture. PLoS One. 2016;11(3): e0151974. DOI: 10.1371/journal.pone.0151974
4. Blatter R.H.E., Jacomet S., Schlumbaum A. Little evidence for the preservation of a single-copy gene in charred archaeological wheat. Ancient Biomolecules. 2002;4(2):65-77. DOI: 10.1080/1358612021000010677
5. Brown T.A., Allaby R.G., Brown K.A., O’Donoghue K., Sallares R. DNA in wheat seeds from European archaeological sites. Experientia. 1994;50(6):571-575. DOI: 10.1007/bf01921727
6. Bull H., Casao M.C., Zwirek M., Flavell A.J., Thomas W.T.B., Guo W. et al. Barley SIX-ROWED SPIKE3 encodes a putative Jumonji C-type H3K9me2/me3 demethylase that represses lateral spikelet fertility. Nature Communications. 2017;8(1):936. DOI: 10.1038/s41467-017-00940-7
7. Campos P.F., Willerslev E., Sher A., Orlando L., Axelsson E., Tikhonov A. et al. Ancient DNA analyses exclude humans as the driving force behind late Pleistocene musk ox (Ovibos moschatus) population dynamics. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2010;107(12):5675-5680. DOI: 10.1073/pnas.0907189107
8. Charles M., Bogaard A. Section 9.6. Charred plant macro-remains from Jeitun: implications for early cultivation and herding practices in western Central Asia. In: D.R. Harris (ed.). Origins of Agriculture in Western Central Asia: an Environmental-Archaeological Study. Philadelphia, PA: University of Pennsylvania Museum of Archaeology and Anthropology; 2010. p.150-165.
9. Costantini L. The beginning of agriculture in the Kachi plain: the evidence of Mehrgarh. In: B. Allchin (ed.). South Asian Archaeology 1981: Proceedings of the Sixth International Conference of the Association of South Asian Archaeologists in Western Europe; Cambridge University; 5–10 July 1981. Cambridge: Cambridge University Press; 1984. p.29-33.
10. Dabney J., Knapp M., Glocke I., Gansauge M.T., Weihmann A., Nickel B. et al. Complete mitochondrial genome sequence of a Middle Pleistocene cave bear reconstructed from ultrashort DNA fragments. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2013;110(39):15758-15763. DOI: 10.1073/pnas.1314445110
11. Дружкова А.С., Воробьева Н.В., Трифонов В.А., Графодатский А.С. Древняя ДНК: итоги и перспективы (к 30-летию начала исследований). Генетика. 2015;51(6):627-643. DOI: 10.1134/S1022795415060046
12. Fernandez E., Thaw S., Brown T.A., Arroyo-Pardo E., Buxó R., Serret M.D. et al. DNA analysis in charred grains of naked wheat from several archaeological sites in Spain. Journal of Archaeological Science. 2013;40(1):659-670. DOI: 10.1016/j.jas.2012.07.014
13. Fulton T.L., Shapiro B. Setting up an ancient DNA laboratory. In: B. Shapiro, A. Barlow, P.D. Heintzman, M. Hofreiter, J.L.A. Paijmans, A.E.R. Soares (eds). Ancient DNA: Methods and Protocols. New York, NY: Humana; 2019. p.1-13. DOI: 10.1007/978-1-4939-9176-1_1
14. Goloubinoff P., Pääbo S., Wilson A.C. Evolution of maize inferred from sequence diversity of an Adh2 gene segment from archaeological specimens. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1993;90(5):1997-2001. DOI: 10.1073/pnas.90.5.1997
15. Гончаров Н.П., Кондратенко Е.Я. происхождение, доместикация и эволюция пшениц. Информационный вестник ВОГиС. 2008;12(1-2):159-177.
16. Hagelberg E., Hofreiter M., Keyser C. Introduction. Ancient DNA: the first three decades. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 2015;370(1660):20130371. DOI: 10.1098/rstb.2013.0371
17. Harlan J.R. On the origin of barley. In: Barley: Origin, Botany, Culture, Winter Hardiness, Genetics, Utilization, Pests. USDA Agriculture Handbook 338. Washington, DC: USDA; 1979. p.10-36.
18. Helback H. Domestication of food plants in the Old World: joint efforts by botanists and archeologists illuminate the obscure history of plant domestication. Science. 1959;130(3372):365-372. DOI: 10.1126/science.130.3372.365
19. Higuchi R. Genetic study on the congenital dislocation of the hip. The Bulletin of Tokyo Medical and Dental University. 1984;31(4):195-207.
20. Hillman G. On the origins of domestic rye – Secale cereale: the finds from aceramic Can Hasan III in Turkey. Anatolian Studies. 1978;28:157-174. DOI: 10.2307/3642748
21. Komatsuda T., Tanno K. Comparative high resolution map of the six-rowed spike locus 1 (vrs1) in several populations of barley, Hordeum vulgare L. Hereditas. 2004;141(1):68-73. DOI: 10.1111/j.1601-5223.2004.01820.x
22. Koppolu R., Anwar N., Sakuma S., Tagiri A., Lundqvist U., Pourkheirandish M. et al. Six-rowed spike4 (Vrs4) controls spikelet determinacy and row-type in barley. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2013;110(32):13198-13203. DOI: 10.1073/pnas.1221950110
23. Leonard J.A., Shanks O., Hofreiter M., Kreuz E., Hodges L., Ream W. et al. Animal DNA in PCR reagents plagues ancient DNA research. Journal of Archaeological Science. 2007;34(9):1361-1366.
24. Lister D.L., Jones H., Jones M.K., O’Sullivan D.M., Cockram J. Analysis of DNA polymorphism in ancient barley herbarium material: validation of the KASP SNP genotyping platform. Taxon. 2013;62(4):779-789. DOI: 10.12705/624.9
25. Lister D.L., Jones H., Oliveira H.R., Petrie C.A., Liu X., Cockram J. et al. Barley heads east: Genetic analyses reveal routes of spread through diverse Eurasian landscapes. PLoS One. 2018;13(7):e0196652. DOI: 10.1371/journal.pone.0196652
26. McClung C.R. Circadian clock components offer targets for crop domestication and improvement. Genes (Basel). 2021;12(3):374. DOI: 10.3390/genes12030374
27. Newman C.W., Newman R.K. A brief history of barley foods. Cereal Foods World. 2006;51(1):4-7. DOI: 10.1094/CFW-51-0004
28. Okonechnikov K., Golosova O., Fursov M. Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinformatics. 2012;28(8):1166-1167. DOI:10.1093/bioinformatics/bts091
29. Pääbo S., Higuchi R.G., Wilson A.C. Ancient DNA and the polymerase chain reaction. The emerging field of molecular archaeology. The Journal of Biological Chemistry. 1989;264(17):9709-9712.
30. Pankin A., von Korff M. Co-evolution of methods and thoughts in cereal domestication studies: a tale of barley (Hordeum vulgare). Current Opinion in Plant Biology. 2017;36:15-21. DOI: 10.1016/j.pbi.2016.12.001
31. Poinar H.N., Kuch M., Sobolik K.D., Barnes I., Stankiewicz A.B., Kuder T. et al. A molecular analysis of dietary diversity for three archaic Native Americans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2001;98(8):4317-4322. DOI: 10.1073/pnas.061014798
32. Poinar H.N., Schwarz C., Qi J., Shapiro B., Macphee R.D., Buigues B. et al. Metagenomics to paleogenomics: large-scale sequencing of mammoth DNA. Science. 2006;311(5759):392-394. DOI: 10.1126/science.1123360
33. Pourkheirandish M., Hensel G., Kilian B., Senthil N., Chen G., Sameri M. et al. Evolution of the grain dispersal system in barley. Cell. 2015;162(3):527-539. DOI: 10.1016/j.cell.2015.07.002
34. Ramsay L., Comadran J., Druka A., Marshall D.F., Thomas W.T.B., Macaulay M. et al. INTERMEDIUM-C, a modifier of lateral spikelet fertility in barley, is an ortholog of the maize domestication gene TEOSINTE BRANCHED 1. Nature Genetics. 2011;43(2):169-172. DOI: 10.1038/ng.745
35. Reich D., Green R.E., Kircher M., Krause J., Patterson N., Durand E.Y. et al. Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. Nature. 2010;468(7327):1053-1060. DOI: 10.1038/nature09710
36. Riehl S., Pustovoytov K.E., Weippert H., Klett S., Hole F. Drought stress variability in ancient Near Eastern agricultural systems evidenced by δ13C in barley grain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2014;111(34):12348-12353. DOI: 10.1073/pnas.1409516111
37. Semilet T., Shvachko N., Smirnova N., Shipilina L., Khlestkina E. Using DNA markers to reconstruct the lifetime morphology of barley grains from carbonized cereal crop remains unearthed at Usvyaty Settlement. Biological Communications. 2023;68(1):3-9. DOI: 10.21638/spbu03.2023.101
38. Takahashi R., Hayashi J. Linkage study of two complementary genes for brittle rachis in barley. Berichte des Ohara Instituts für landwirtschaftliche Biologie, Okayama Universität.1964;12(2):99-105.
39. Van Esse G.W., Walla A., Finke A., Koornneef M., Pecinka A., von Korff M. Six-Rowed Spike3 (VRS3) is a histone demethylase that controls lateral spikelet development in barley. Plant Physiology. 2017;174(4):2397-2408. DOI: 10.1104/pp.17.00108
40. Wales N., Kistler L. Extraction of ancient DNA from plant remains. Methods in Molecular Biology. 2019;1963:45-55. DOI: 10.1007/978-1-4939-9176-1_6
41. Weyrich L.S., Dobney K., Cooper A. Ancient DNA analysis of dental calculus. Journal of Human Evolution. 2015;79:119-124. DOI: 10.1016/j.jhevol.2014.06.018
42. Willerslev E., Hansen A.J., Poinar H.N. Isolation of nucleic acids and cultures from fossil ice and permafrost. Trends in Ecology and Evolution. 2004;19(3):141-147. DOI: 10.1016/j.tree.2003.11.010
43. Youssef H.M., Eggert K., Kopplu R., Alqudah A.M., Poursarebani N., Fazeli A. et al. VRS2 regulates hormone-mediated inflorescence patterning in barley. Nature Genetics. 2017;49:157-161. DOI: 10.1038/ng.3717
Рецензия
Для цитирования:
Семилет Т.В., Смирнова Н.В., Швачко Н.А., Ковалева О.Н., Хлесткина Е.К. Восстановление архитектоники колоса древнего ячменя из раскопа Усвятского городища XII века. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2024;185(3):199-209. https://doi.org/10.30901/2227-8834-2024-3-199-209
For citation:
Semilet T.V., Smirnova N.V., Shvachko N.A., Kovaleva O.N., Khlestkina E.K. Restoration of the spike architectonics in ancient barley excavated at the twelfth-century settlement of Usvyaty. Proceedings on applied botany, genetics and breeding. 2024;185(3):199-209. (In Russ.) https://doi.org/10.30901/2227-8834-2024-3-199-209