Эффективность SSR- и PawS-маркеров для оценки генетического полиморфизма сортов клевера лугового (Trifolium pratense L.)

Актуальность. Исследования по изучению генетической изменчивости, идентификации и паспортизации селекционных достижений актуальны в связи с сокращением сроков создания сортов и ежегодным ускоренным ростом их числа. С помощью методов на основе ДНК-маркеров разрабатывают генетический паспорт сорта, который может служить основанием для защиты авторских прав селекционеров, для контроля чистоты семенного материала. Представлены результаты исследований по оценке эффективности систем маркирования на основе SSR-локусов и PawS-маркеров для изучения ДНК-полиморфизма российских сортов клевера лугового с целью идентификации и последующей паспортизации. Материалы и методы. Геномную ДНК выделяли на основе SDS-метода с модификациями из 30 проростков от каждого сорта. Для ДНК-типирования использовали 9 SSR- и 4 PawS-маркера из семейства R173 ретротранспозонов. Анализ результатов проведен с помощью программ GelAnalyzer 2010а, MStools v.3, Statistica 7.0. Результаты и заключение. По результатам SSR-анализа выявлен невысокий средний уровень межсортового ДНК-полиморфизма клевера лугового – 38,6%. Обнаружены сортоспецифичные аллели для четырех образцов исследуемой выборки (‘Трифон’, ‘Топаз’, ‘Трио’, ‘Марс’) с использованием маркеров RCS1307 и RCS3095, которые могут служить для идентификации и разработки генетических паспортов. PawSмаркеры оказались неинформативны для анализа генетической изменчивости. Воспроизводимые продукты амплификации удалось получить лишь с комбинацией PawS5+PawS16, однако в ДНК-профилях не выявлено уникальных ампликонов для изучаемых сортов.

генетическое разнообразие, ДНК-полиморфизм, микросателлитные локусы, ретротранспозоны, молекулярно-генетическая паспортизация

1. Berzina I., Zhuk A., Veinberga I., Rasha I., Rungis D.D. Genetic fingerprinting of Latvian red clover (Trifolium pratense L.) varieties using simple sequence repeat (SSR) markers: comparisons over time and space. Latvian Journal of Agronomy. 2008;11:28-32.

2. Безлепкина Е.В., Гуляева А.А., Галькова А.А. Применение ретротранспозона PawS5 в качестве ДНК-маркера при генотипировании сортообразцов абрикоса обыкновенного (Prunus armenica L.) из коллекции ВНИИСПК. Современное садоводство. 2019;3:9- 15. DOI: 10.24411/2312-6701-2019-10302

3. Бирюкова В.А. Оценка генетического разнообразия сортов картофеля и родственных видов Solanum методом анализа умеренно повторяющихся последовательностей генома: дис. … канд. биол. наук. Москва; 2006.

4. Боронникова С.В. Молекулярное маркирование и генетическая паспортизация ресурсных и редких видов растений с целью оптимизации сохранения их генофондов. Аграрный вестник Урала. 2009;2(56):57-59.

5. Брик А.Ф., Календарь Р.Н., Стратула О.Р., Сиволап Ю.М. IRAP- и REMAP-анализ сортов ячменя Одесской селекции. Цитология и генетика. 2006;3:24-33.

6. Dellaporta S.L., Wood J., Hicks J.B. A plant DNA minipreparation: Version II. Plant Molecular Biology Reporter. 1983;1(4):19-21. DOI: 10.1007/BF02712670

7. Dias P.M.B., Julier B., Sampoux J.P., Barre P., Dall’Agnol M. Genetic diversity in red clover (Trifolium pratense L.) revealed by morphological and microsatellite (SSR) markers. Euphytica. 2008;160(2):189-205. DOI: 10.1007/s10681-007-9534-z

8. Don R.H., Cox P.T., Wainwright B.J., Baker K., Mattick J.S. ‘Touchdown’ PCR to circumvent spurious priming during gene amplification. Nucleic Acids Research. 1991;19(14):4008. DOI: 10.1093/nar/19.14.4008

9. Dugar Y.N., Popov V.N. Genetic structure and diversity of Ukrainian red clover cultivars revealed by microsatellite markers. Open Journal of Genetics. 2013;3:235-242. DOI: 10.4236/ojgen.2013.34026

10. Федулова Т.П., Федорин Д.Н. Анализ генетического разнообразия сортотипов корнеплодной свеклы (Beta vulgaris L.) на основе ДНК-маркеров. Auditorium электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014;4(4). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-geneticheskogo-raznoobraziya-sortotipov-korneplodnoy-svekly-beta-vulgaris-l-na-osnovednk-markerov [дата обращения: 10.06.2020].

11. Gao D., Chen J., Chen M., Meyers B.C., Jackson S. A highly conserved, small LTR retrotransposon that preferentially targets genes in grass genomes. PLoS ONE. 2012;7(2):e32010. DOI: 10.1371/journal.pone.0032010

12. Gilbert J.E., Lewis R.V., Wilkinson M.J., Caligari P.D.S. Developing an appropriate strategy to assess genetic variability in plant germplasm collections. Theoretical and Applied Genetics. 1999;98(6-7):1125-1131. DOI: 10.1007/s001220051176

13. Глазко В.И., Елькина М.А., Глазко Т.Т. Гомологичные нуклеотидные последовательности фланга ретротранспозона PawS5 из семейства R173 в геномах животных и растений. Сельскохозяйственная биология. 2012;4:36-41. DOI: 10.15389/agrobiology.2012.4.36rus

14. Gupta M., Sharma V., Singh S.K., Chahota R.K., Sharma T.R. Analysis of genetic diversity and structure in a genebank collection of red clover (Trifolium pratense L.) using SSR markers. Plant Genetic Resources. 2016;15(4):376-379. DOI: 10.1017/S1479262116000034

15. Herrmann D., Boller B., Widmer F., Kölliker R. Optimization of bulked AFLP analysis and its application for exploring diversity of natural and cultivated populations of red clover. Genome. 2005;48(3):474-486. DOI: 10.1139/g05-011

16. Karim K., Rawda A., Hatem C.M. Genetic diversity in local Tunisian barley based on RAPD and SSR analysis. Biological Diversity and Conservation. 2009;2(1):27-35.

17. Хавкин Э.Е. Молекулярная селекция растений: ДНК-технологии создания новых сортов сельскохозяйственных культур. Сельскохозяйственная биология. 2003;38(3):26-41.

18. Хлесткина Е.K. Молекулярные маркеры в генетических исследованиях и в селекции. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2013;17(4/2):1044-1054.

19. Хлесткина Е.K. Молекулярные методы анализа структурно-функциональной организации генов и геномов высших растений. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2011;15(4):757-768.

20. Клименко И.А., Козлов Н.Н. Оценка сортообразцов клевера лугового на основе микросателлитного анализа. В кн.: Многофункциональное адаптивное кормопроизводство: сборник научных трудов. Выпуск 19(67). Москва; 2018.

21. Клименко И.А., Шамустакимова А.О., Капустина Н.В., Макаренков М.А. Микросателлитное генотипирование сортов клевера лугового и люцерны селекции ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса. Актуальная биотехнология. 2019;3(30):180-182.

22. Kölliker R., Hermann D., Boller B., Widmer F. Swiss Mattenklee landraces, a distinct and diverse genetic resource of red clover (Trifolium pratense L.). Theoretical and Applied Genetics. 2003;107:306-315.

23. 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;121:305-315.

24. Kongkiatngam P., Waterway M.J., Fortin M.G., Coulman B.E. Genetic variation within and between two cultivars of red clover (Trifolium pratense L.): comparisons of morphological, isozyme, and RAPD markers. Euphytica. 1995:84:237-246. DOI: 10.1007/BF01681816

25. Korir N.K., Han J., Shangguan L., Wang C., Kayesh E., Zhang Y. et al. Plant variety and cultivar identification: advances and prospects. Critical Reviews in Biotechnology. 2012;33(2):111-125. DOI: 10.3109/07388551.2012.675314

26. Kumar A., Bennetzen J.L. Plant retrotransposons. Annual Review of Genetics. 1999;33:479-532.

27. Kumar A., Hirochika H. Application of retrotransposons as genetic tools in plant biology. Trends in Plant Science. 2001;6(3):127-134. DOI: 10.1016/S1360-1385(00)01860-4

28. Lazar I., Zwecker-Lazar I., Lazar R.H. GelAnalyzer 2010a: Freeware 1D gel electrophoresis image analysis software. ScienceOpen, Inc.; 2010.

29. 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

30. Michelmore R.W., Paran I., Kesseli R.V. Identification of markers linked to disease-resistance genes by bulked segregant analysis: a rapid method to detect markers in specific genomic regions by using segregating populations. PNAS. 1991,88(21):9828-9832. DOI: 10.1073/pnas.88.21.9828

31. Новоселов М.Ю. Клевер луговой (Trifolium pratense L.). В кн.: Основные виды и сорта кормовых культур. Москва: Наука; 2015. С.26-30.

32. Park S. MStools v. 3 (Excel Spreadsheet Toolkit for Data Conversion). Dublin: Trinity College; 2001. Radinovic I., Vasiljevic S., Brankovic G., Salem-Ahsyee R., Momirovic U., Perovic D. et al. Molecular characterization of red clover genotypes utilizing microsatellite markers. Chilean Journal of Agricultural Research. 2017;77(1):41-47. DOI: 10.4067/S0718-58392017000100005

33. Рамазанова С.А., Гучетль С.З., Челюстникова Т.А., Антонова Т.С. Идентификация сортов сои российской селекции на основе анализа микросателлитных (SSR) локусов ДНК. Масличные культуры. Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. 2008;2(139):56-58.

34. Rogowsky P.M., Shepherd K.W., Langridge P. Polymerase chain reaction based mapping of rye involving repeated DNA sequences. Genome. 1992;35(4):621-626. DOI: 10.1139/g92-093

35. Sato S., Isobe S., Asamizu E., Ohmido N., Kataoka R., Nakamura Y. et al. Comprehensive structural analysis of the genome of red clover (Trifolium pratense L.). DNA Research. 2005;12(5):301-364. DOI: 10.1093/dnares/dsi018

36. Schulman A.H. Molecular markers to assess genetic diversity. Euphytica. 2007;158:313-321. DOI: 10.1007/s10681-006-9282-5

37. Sokal R.R., Michener C.D. A statistical methods for evaluating relationships. University of Kansas Science Bulletin. 1958;38:1409-1448.

38. Tam S.M., Mhiri C., Vogelaar A., Kerkveld M., Pearce S.R., Grandbastien M.A. Comparative analyses of genetic diversities within tomato and pepper collections detected by retrotransposon-based SSAP, AFLP and SSR. Theoretical and Applied Genetics. 2005;110(5):819–831. DOI: 10.1007/s00122-004-1837-z

39. Tautz D., Renz M. Simple sequences are ubiquitous repetitive components of eukaryotic genomes. Nucleic Acids Research. 1984;12(10):4127-4138. DOI: 10.1093/nar/12.10.4127

40. Vymyslicky T., Smarda P., Pelikan J., Cholastova T., Nedelnik J., Moravcova H. et al. Evaluation of the Czech core collection of Trifolium pratense, including morphological, molecular and phytopathological data. African Journal of Biotechnology. 2012;11(15):3583-3595. DOI: 10.5897/AJB11.3085

41. Зайцев В.С., Хавкин Э.Е. Идентификация генотипов растений с помощью ПЦР-анализа рассеянных повторяющихся последовательностей R173. Доклады РАСХН. 2001;2:3-5.