In silico -анализ геномов представителей семейства Rosaceae Juss. c целью создания ISAP-маркеров

Актуальность. Семейство Розовые (Rosaceae Juss.) – таксон, к которому относится ряд экономически ценных культур. Исследования генетического разнообразия как сортов и селекционных форм культурных растений этого семейства, так и их диких родичей имеют важное значение для привлечения нового материала в генетические коллекции и в селекцию. Хорошим инструментом для их быстрого и информативного анализа могут служить маркеры, основанные на полиморфизме ретротранспозонов, в том числе ISAP-маркеры, детектирующие различия в расположении SINE-транспозонов. Поскольку SINE-элементы обладают высокой гетерогенностью, ISAP-маркеры, разработанные для одного вида, могут оказаться непригодны для работы с другими видами.

Материалы и методы. Проведен анализ геномов представителей пяти видов родов Fragaria L., Rosa L. и Rubus L. Для выравнивания SINE-последовательностей и их кластеризации с целью последующего дизайна праймеров разработана оригинальная биоинформатическая программа. Апробация праймеров, созданных для малины и розы, была выполнена на ограниченных выборках (28 и 21 образец соответственно).

Результаты. В гаплоидных геномах представителей родов Fragaria, Rosa и Rubus выявлено от 857 до 3477 SINE-элементов, при этом во всех геномах они были распределены на хромосомах неравномерно. Применение биоинформатических методов для анализа выявленных SINE-последовательностей позволило для каждой культуры разработать специфичные праймеры. Сформированная система ISAP-маркеров показала высокую степень генерируемого полиморфизма (PIC > 0,90). Праймеры, подобранные для рода Rosa, оказались способными генерировать ПЦР-продукты и у представителей других культур семейства Rosaceae, включая вишню, грушу и землянику, однако наблюдаемый полиморфизм был существенно ниже.

Заключение. Полученная система ISAP-маркеров способна генерировать большое количество полиморфных фрагментов. Это позволяет применять ее для генотипирования и изучения генетического разнообразия как сортов, так и дикорастущих популяций.

1. Antonius-Klemola K., Kalendar R., Schulman A.H. TRIM retrotransposons occur in apple and are polymorphic between varieties but not sports. Theoretical and Applied Genetics. 2006;112(6):999-1008. DOI: 10.1007/s00122-005-0203-0

2. Aristya G.R., Kasiamdari R.S., Setyoningrum R., Larasati B. Genetic variations of strawberry cultivars of Fragaria × ananassa and Fragaria vesca based on RAPD. Biodiversitas. 2019;20(3):770-775. DOI: 10.13057/biodiv/d200322

3. Badakhshan H., Kamangar M.S., Mozafari A.A. Characterization of strawberry (Fragaria × ananassa Duch.) cultivars using SCoT, ISSR and IRAP markers. Crop Breeding Journal. 2018;8(2):61-72. DOI: 10.22092/CBJ.2018.123510.1028

4. Borodulina O.R., Kramerov D.A. PCR-based approach to SINE isolation: Simple and complex SINEs. Gene. 2005;349:197-205. DOI: 10.1016/j.gene.2004.12.035

5. Brozynska M., Furtado A., Henry R.J. Genomics of crop wild relatives: expanding the gene pool for crop improvement. Plant Biotechnology Journal. 2016;14(4):1070-1085. DOI: 10.1111/pbi.12454

6. Clustal Omega. Multiple Sequence Alignment (MSA): [website]. Available from: https://www.ebi.ac.uk/jdispatcher/msa/clustalo [accessed Oct. 01, 2025].

7. Dossett M., Bassil N.V., Lewers K.S., Finn C.E. Genetic diversity in wild and cultivated black raspberry (Rubus occidentalis L.) evaluated by simple sequence repeat markers. Genetic Resources and Crop Evolution. 2012;59(8):1849-1865. DOI: 10.1007/s10722-012-9808-8

8. Folta K.M., Gardiner S.E. (eds). Genetics and genomics of Rosaceae. New York, NY: Springer; 2009. DOI: 10.1007/978-0-387-77491-6

9. GDR. Genome Database of Rosaceae: [website]. Available from: https://www.rosaceae.org [accessed Oct. 01, 2025].

10. Girichev G., Hanke M.V., Peil A., Flachowsky H. SSR fingerprinting of a German Rubus collection and pedigree based evaluation on trueness-to-type. Genetic Resources and Crop Evolution. 2015;64(1):89-103. DOI: 10.1007/s10722-015-0345-0

11. Hadonou A.M., Sargent D.J., Wilson F., James C.M., Simpson D.W. Development of microsatellite markers in Fragaria, their use in genetic diversity analysis, and their potential for genetic linkage mapping. Genome. 2004;47(3):429-438. DOI: 10.1139/g03-142

12. Han C., Yang G., Zhang H., Peng H., Yang J., Zhu P. et al. Development and validation of genome-wide SSR molecular markers of Tapes dorsatus. Molecular Biology Reports. 2024;51(1):73. DOI: 10.1007/s11033-023-08949-6

13. Hoban S., Bruford M., D’Urban Jackson J.D., Lopes-Fernandes M., Heuertz M., Hohenlohe P.A. et al. Genetic diversity targets and indicators in the CBD post-2020 Global Biodiversity Framework must be improved. Biological Conservation. 2020;248:108654. DOI: 10.1016/j.biocon.2020.108654

14. Integrated DNA Technologies. OligoAnalyzer™: Primer analysis tool: [website]. Available from: https://www.idtdna.com/pages/tools/oligoanalyzer [accessed Oct. 01, 2025].

15. IPCN Chromosome Reports. Index to Plant Chromosome Numbers (IPCN): [website]. Available from: https://legacy.tropicos.org/Project/IPCN [accessed Oct. 01, 2025].

16. Kalendar R.N., Aizharkyn K.S., Khapilina O.N., Amenov A.A., Tagimanova D.S. Plant diversity and transcriptional variability assessed by retrotransposon-based molecular markers. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2017;21(1):128-134. DOI: 10.18699/VJ17.231

17. Календарь Р.Н., Глазко В.И. Типы молекулярно-генетических маркеров и их применение. Физиология растений и генетика. 2002;34(4):141-156.

18. Камнев А.М., Антонова О.Ю., Дунаева С.Е., Гавриленко Т.А., Чухина И.Г. Молекулярные маркеры в исследованиях генетического разнообразия представителей рода Rubus L. и перспективы их применения в селекции. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2020;24(1):20-30. DOI: 10.18699/VJ20.591

19. Kumar S., Tamura K., Nei M. MEGA: Molecular Evolutionary Genetics Analysis software for microcomputers. Bioinformatics. 1994;10(2):189-191. DOI: 10.1093/bioinformatics/10.2.189

20. Li Y., Jiang N., Sun Y. AnnoSINE: a short interspersed nuclear elements annotation tool for plant genomes. Plant Physiology. 2022;188(2):955-970. DOI: 10.1093/plphys/kiab524

21. Liang Y., Lenz R.R., Dai W. Development of retrotransposon-based molecular markers and their application in genetic mapping in chokecherry (Prunus virginiana L.). Molecular Breeding. 2016;36(8):109. DOI: 10.1007/s11032-016-0535-2

22. Матвеева Т.В., Павлова О.А., Богомаз Д.И., Демкович Л.А., Лутова А.Е. Молекулярные маркеры для видоидентификации и филогенетики растений. Экологическая генетика. 2011;9(1):32-43.

23. Melnikova N.V., Kudryavtseva A.V., Speranskaya A.S., Krinitsina A.A., Dmitriev A.A., Belenikin M.S. et al. The FaRE1 LTR-retrotransposon based SSAP markers reveal genetic polymorphism of strawberry (Fragaria × ananassa) cultivars. Journal of Agricultural Science. 2012;4(11):111. DOI: 10.5539/jas.v4n11p111

24. Мельникова Н.В., Сперанская А.С., Дарий М.В., Беленикин М.С., Дмитриев А.А., Кудрявцева А.В. Использование молекулярных маркеров, основанных на ретротранспозонах, для изучения генетического разнообразия растений. Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. 2013;14(19):32-35.

25. Межнина О.А., Урбанович О.Ю. Идентификация сортов земляники садовой (Fragaria ananassa) с использованием SSR-маркеров. Молекулярная и прикладная генетика. 2016;20:37-45.

26. NCBI. National Center for Biotechnology Information: [website]. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov [accessed Oct. 01, 2025].

27. Nei 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.70.12.3321

28. 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

29. Reiche B., Kögler A., Morgenstern K., Brückner M., Weber B., Heitkam T. et al. Application of retrotransposon-based Inter-SINE Amplified Polymorphism (ISAP) markers for the differentiation of common poplar genotypes. Canadian Journal of Forest Research. 2021;51(11):1650-1663. DOI: 10.1139/cjfr-2020-0209

30. Schwichtenberg K., Wenke T., Zakrzewski F., Seibt K.M., Minoche M., Dohm J. et al. Diversification, evolution and methylation of short interspersed nuclear element families in sugar beet and related Amaranthaceae species. The Plant Journal. 2015;85(2):229-244. DOI: 10.1111/tpj.13103

31. Seibt K.M., Wenke T., Wollrab C., Junghans H., Muders K., Dehmer K.J. et al. Development and application of SINE-based markers for genotyping of potato varieties. Theoretical and Applied Genetics. 2012;125(1):185-196. DOI: 10.1007/s00122-012-1825-7

32. Sonneveld T., Tobutt K.R., Robbins T.P. Allele-specific PCR detection of sweet cherry self-incompatibility (S) alleles S1 to S16 using consensus and allele-specific primers. Theoretical and Applied Genetics. 2003;107(6):1059-1070. DOI: 10.1007/s00122-003-1274-4

33. Sormin S.Y.M., Purwantoro A., Setiawan A.B., Teo C.H. Application of inter-SINE amplified polymorphism (ISAP) markers for genotyping of Cucumis melo accessions and its transferability in Coleus spp. Biodiversitas. 2021;22(5):2918-2929. DOI: 10.13057/biodiv/d220557 DOI:10.13057/biodiv/d220557

34. Sun J., Hao Y., Li L., Song Y., Fan L., Zhang S. et al. Evaluation of new IRAP markers of pear and their potential application in differentiating bud sports and other Rosaceae species. Tree Genetics and Genomes. 2015;11(2):25. DOI: 10.1007/s11295-015-0849-y

35. UGENE team; Okonechnikov K., Golosova O., Fursov M. Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinformatics. 2012;28(8):1166-1167. DOI: 10.1093/bioinformatics/bts091

36. Untergasser A., Cutcutache I., Koressaar T., Ye J., Faircloth B.C., Remm M. et al. Primer3 – new capabilities and interfaces. Nucleic Acids Research. 2012;40(15):e115. DOI: 10.1093/nar/gks596

37. Ветчинникова Л.В., Титов А.Ф., Топчиева Л.В., Рендаков Н.Л. Оценка генетического разнообразия популяций карельской березы в Карелии с помощью микросателлитных маркеров. Экологическая генетика. 2012;10(1):34-37.

38. Wenke T., Döbel T., Sörensen T.R., Junghans H., Weisshaar B., Schmidt T. Targeted identification of short interspersed nuclear element families shows their widespread existence and extreme heterogeneity in plant genomes. The Plant Cell. 2011;23(9):3117-3128. DOI: 10.1105/tpc.111.088682