CC BY
31УДК 633.15.631.527 http://dx.doi.Org/10.21498/2518-1017.13.3.2017.110708
Бшшформатичний анализ гетв рису посевного (Oryza sativa L.), асоц'йованих 31 спйкктю проти трикуляршзу
К. В. Бондаренко1, Г. I. Сл1'щук2, Н. Е. Волкова2*
Чнститут рису НААНУкраТни, с. Антотвка, Скадовський р-н, Херсонська обл., 75705, УкраТна 2Селекц1йно-генетичний институт - Нацональний центр нааннезнавства та сортовивчення, вул. 0в!дюпольська дорога, 3, м. Одеса, 65036, УкраТна, *e-mail: natavolki@ukr.net
Мета. Досл1'дити пол1'морф1'зм гет'в сп'йкосп' рису поа'вного проти трикулярюзу б1'о1'нформатичними методами. Методи. Глобальне та локальне вир1внювання нуклеотидних посл1'довностей, ф1логенетичний анал1'з, тест HyPhy. Результати. Для гена Pib встановлено численн однонуклеотидт зам1'ни та делецИ' 1-3 п. н. Дослужено фтлогенш цього гена; знайдено гомологи як у р1зних вид1в рису, так i в 1'нших злакових, що св1дчить про можливкть кодування ними проте1'тв, як1 «розтзнають» ефектори фтгопатогетв, тобто ц гомологи можуть бути залучен в забезпечення спйкосл проти ф1топатогетв. Для гена Pi4 характерними е однонуклеотидт зам1ни, 1'нсерц1'1 та делец'!'; юльюсть не-синон1м1чних зам1н перевищуе юльюсть синон1м1чних. Вар1абельн1сть гена Pi54 е значно нижчою, н1ж гетв Pi4 та Pib. Переважними видами пол1морф1зму е однонуклеотидт зам1ни та 1'ндел1 невеликого розм1ру. Встановлено, що не-синотм1чт зам1ни в генах Pi54, Pi4 та Pib мали схильт'сть розмщуватися близько одна до одно!', 1'нод1 утворюючи кластери, тод1 як деяю кодуюч1 д1лянки або були надконсервативними, або мктили переважно синотм1чт зам1ни. На ф1лодендрограмах зразки рису пос1вного кластеризуються з1 зразками предкових дикорослих вид1в. Висновки. Для еволюцИ' гетв спйкосп рису проти трикулярюзу Pi4, Pib та Pi54 е характерним диверсифжуючий доб1р. Враховуючи те, що для рослини та паразита властивою е напружена коеволюц1я, значна швидюсть адаптацл та утворення нових рас патогена, ц гени зазнають 1нтенсивного добору, спрямованого на тдвищення р1зноматття з метою набуття спйкосп проти нових рас патогена.
Нлючов! слова: Гени Pib, Pi54, Pi4, виртвнювання посл^довностей, ф^логенетичний анал!з, еволюц!я, однонуклео-тидний пол1морф!'зм, 1ндел1.
Вступ
Серед хвороб рису посгвного (Oryza sativa L.) найшкодочиншшим е трикулярюз, спри-чинений грибом Magnaporthe grisea Barr Yaegashi&Udagawa (анаморф Pyricularia grisea). Шрикулярюз за в1дсутносп в рослин-ного оргашзму стшкосп швидко призводить до шовного ураження вс1х частин рослини i ii загибел^ зрiдження посiвiв, зменшення кiлькостi та якосп зерна в колоску. 3 ще! причини недобiр врожаю становить 20-50%, у роки ешфгготш - до 100% [1].
Katerina Bondarenko http://orcid.org/0000-0003-1468-1233 Heorhii Slishchuk
http://orcid.org/0000-0003-4245-8557 Nataliia Volkova
http://orcid.org/0000-0002-9333-4872
Найперспектившшим ршенням у бороть-6i з цим захворюванням е створення стш-ких сорив та ix впровадження у виробни-цтво. Культивування таких сортiв дасть змогу скоротити до мiнiмуму використання фунгiцидiв на рисових полях та забезпе-чить харчову безпеку продукци рисово1 га-лузi. Але забезпечення спйкосп е склад-ним напрямом селекци, оскiльки шквдни-ки та збудники хвороб мають великий по-тенцiал мiнливостi, що разом зi швидкiстю розмноження забезпечуе патогену значш пристосувальнi можливостi. Об'еднання кiлькоx ефективних гетв спйкосп на ге-нетичнш основi елiтниx сортiв е ефектив-ною стратегieю селекци на стшшсть проти високоварiабельниx грибних патогенiв, у т. ч. збудника шрикулярюзу [2].
Гени стшкосп рису проти шрикулярюзу належать до класу тих, що кодують проте'ь
ISSN 2518-1017 Plant VaRIETÍES STUDYING aND PROTECTION, 2017, Vol. 13, No 3
263
Генетика
ни з нуклеотид-сполучним сайтом i доменом 3i збагаченими лейцином повторами (nucleo-tide-binding site - leucine-rich repeat, NBS-LRR) - такими, що реагують на мiкробiаль-ш ефектори [3]. За даними штегровано'1 нау-ково'1 бази рису OryzaBase [4], генами стшкос-тi рису проти шрикулярюзу е PI1-PI3, PI5-PI44, PI46-PI-51, PI55, PI56, PI62, PI65, PI67 та багато шших (номенклатура гешв згiдно з CGSNL - Committee on Gene Sym-bolization, Nomenclature and Linkage, Rice Genetics Cooperative). Щкавою особлив^тю продукпв цих генiв е те, що вони е специ-фiчними до протеïнiв-ефекторiв фгтопа-тогена: AvrPita, AvrPiz-t, AvrPik/km/kp, AvrPia [5].
Враховуючи важливiсть створення стш-ких проти пiрикулярiозу сортiв рису, зокре-ма шляхом пiрамiдування ефективних гешв стшкосп в елiтнi сорти, дощльним е досл^ дження полiморфiзму генiв стiйкостi для розроблення функщональних маркерiв, що можуть бути використаш в маркер-супут-ньому доборi [6, 7].
Мета дослгджень - дослщити полiмор-фiзм генiв стiйкостi рису по^вного проти пiрикулярiозу бiоiнформатичними методами.
Материали та методика досл1*джень
Mатерiалом дослiдження були нуклео-тиднi послщовноси генiв стiйкостi проти пiрикулярiозу рису та 1'хш гомологи (пов-ш та частковi послiдовностi): 86 послщов-ностей гомологiв гена PIB (синошм Pib), 96 послiдовностей PIKH (синошм Pi54), 96 послiдовностей PITA (синошм Pi4), представлених у базi даних Нащонально-го центру бютехнолоично'1' шформацп (National Center for Biotechnology Information, NCBI) [8].
Локальне вирiвнювання нуклеотидних послiдовностей провадили за алгоритмом Смгга-Уотермана [9]. Для пошуку гомо-логiв генiв, асоцшованих зi стiйкiстю до пiрикулярiозу рису, використовували про-граму BLAST. Глобальне вирiвнювання нуклеотидних послiдовностей здшснюва-ли за алгоритмами Шдльмана-Вунша [10] та MUSCLE [11]. Ф^огенетичш взаемоввд-носини дослвджено за методом UPGMA [12].
Характер еволюци дослiджено за тестом HyPhy (Hypothesis testing using Phyloge-nies) [13] методом максимально'1' вiрогiд-ностi за моделями Muse-Gaut [14] та Felsenstein [15].
Oцiнено спiввiдношення синонiмiчних та несинонiмiчних замiн [16].
Результати досл1'джень
БШнформатичний аналгз гена Pib. За результатами вирiвнювання 86 нуклеотидних посл1довностей гена Pib рису та його гомо-логiв злакових встановлено численш одно-нуклеотиднi замши та делеци 1-3 п. н.
Для гена Pib рису визначено диверсифшу-ючий добiр. Так, сшвввдношення несинонi-мiчних замiн до синонiмiчних у бiльшостi випадкiв е позитивними, ¿'хш нормалiзованi значення становлять ввд 0,94 до 7,61. Це св1дчить про спрямованiсть добору на шдви-щення рiзноманiття цього гена та спрямова-нiсть еволюцй патогена на зб^ьшення варiа-бельностi ефектора Pib.
Дослвджено фiлогенiю гена Pib та знайде-но гомологи як у рiзних видiв рису, так i в шших злакових. Щ послщовност1 можуть кодувати протеïни, що «розшзнають» ефектори фiтопатогенiв, а також можуть бути асоцiйованi зi стшшстю проти фiто-патогенiв.
За результатами кластерного аналiзу нук-леотиднi послвдовноси гена Pib рису посiв-ного Oryza sativa увшшли в один субкластер, в якому також е представники дико-рослих видiв рису червонобородного O. rufi-pogon (Griff.) та рису предкового O. nivara (Sharma et Shastry) (рис. 1). Щ види з опа-даючим насiнням вважають предками культурного рису.
БШнформатичний аналгз гена Pi4. Ана-лiз даних вирiвнювання 96 нуклеотидних посл1довностей гена Pi4 рису та його гомо-лоив встановив, що для цього гена харак-терними е однонуклеотиднi замши, шсерци та делецй". Pозмiр найбшьшо'1' iнделi стано-вить 232 п. н., також е iнсерцiï меншого розмiру - 16, 12, 8, 6 та 3 п. н. Вони пере-важно локалiзованi в регюш промотору та екзонах. Для штрошв характерними е лише однонуклеотидш замiни та невеликi iнделi розмiром 1-2 п. н.
Щодо характеру еволюци гена Pi4, встановлено диверсифшуючий добiр; кiлькiсть несинонiмiчних замш перевищуе кiлькiсть синонiмiчних, нормалiзованi значення сшв-вiдношень становлять в1д 6,70 до 40,18.
Диверсифшуючий добiр та високий рiвень полiморфiзму екзонiв взагалi е характерним для генiв, асоцшованих зi стiйкiстю проти хвороб, та св1дчить про iнтенсивний процес коеволюци патогена та рослини. Враховуючи те, що несинонiмiчнi замiни частше пе-ребувають у групах, що перемежовуються довгими регiонами з переважною шльшстю синонiмiчних або висококонсервативних за-
264
СОРТОВИВЧЕННЯ тл охоронл ПРАВ на сорти рослин, 2017, Т. 13, №3
I Pamcmn vngatum
■ Setaria ifalka Ory/a saliva Jafxrntca Group Oryza nhura
Oiyza saliva bponica Group cuUivar I InkimkiL Oiyza rulipogon
Oiyza saliva Japonka Group gene for Pib complete cds Oiyza saliva bpooica Group Oiyza saliva
Oiyza saliva Indka Group cuUivar Seicher Pib protein (Pib) gene conqriete cds — Oiyza saliva Indka Group cuUivar Podnmoni Aim Pib piotein(Pib) gene complete cds Oiyza saliva Indka Group cuUivar Krengosa Pib protein (Pib) gene complete cds
Ory/a saliva Indka Group culbvar 9311 putative NB-ARC domain-containing protein (Pib) gene partial cds Oiyza saliva ciiltiviir Tiamriang putative NB-ARC domaiH»fllaBng protein (Pib) pseudogene partial sequence Ory/a saliva Indka Group ciiltwar 9311 putative NB-ARC domain-containing protein (Pib) gene partial cds Oiyza rulipogon collivar 51010 putative NB-ARC domanrcontaimiig protein (Pib) gene partial cds Oiyza saliva cuUivar Tianxiang putative NB-ARC doiiiain-containing piotein (Pib) psendogene partial sequence Oiyza saliva cuUivar Tianxiang putative NB-ARC doinain-conlaining piotein (Pib) gene partial cds Oiyza saliva Jiqxrntai Group DNA similar sequence to Pib gene
Oiyza saliva Indka Group cuUivar IR24 putative NB-ARC domain-containing piotein (Pib) pseudogene partial sequence Oiyza saliva cuUivar Tianaang putative NB-ARC domain-contaiiiing protein (!*!)>) gene partid cds Oiyza saliva Jiqxmka Group cuUivar Cahose putative NB-ARC domam-^contaiaiBg piotein (Pib) gene partial cds Saighmn bicolor hypothetical protein mRNA Soighumbkolorliypofhetkal piotein mRNA Oiyza rulipogon Pib gene paitsd sequence Oiyza rulipogon cuUivar Yuangpang Pib-like gene partid sequence Oiyza rulipogon Pib (Pib) gene partial cds Oiyza lDngistammala Pib gene partial sequence Oiyza officinalis Pib-Hke gene partial sequence Oiyza meyeriana Pib gene partial sequence
Oiyza saliva Jiqxmka Group cDNA ckmecJ013093Jll full insert sequence Oiyza saliva bpoojca Group cDNA ckmerf)01-108-D05 lult insert sequence
Генетична дистанф'я, у. о.
Рис. 1. Ф1'лодендрограма за результатами вир1*внювання гомолоп'в гена Pib рису
(Деякт кластери закритл для коректного влдображання дендрограми. Назви 61'ля п'лок е назвами зразклв в1дпов1'дно до NCBI)
мгн, саме щ регюни (дистальна частина пер-шого екзону) зазнають найбгльшого пресин-гу диверсифшуючого добору, та саме цей регюн транскрипту протешу ймовГрно вгд-повгдае за «розшзнавання» патогена. Цим можна пояснити характер патерну нуклео-тидних замш у цьому регюш.
На дендрограмГ за результатами кластеризации зразки рису посГвного не утворили окремого кластера, вони «розкидаш» по дендрограмГ та кластеризуються з рГзними видами роду Oryza (рис. 2). Це може бути зумовлено тим, що дикорослГ види рису, з одного боку, е предковими формами культурного рису, з шшого - цшними джерела-ми (i донорами) гешв стшкосп в разГ вико-ристання загальноприйнятого в селекци шдходу вГддалено! ибридизаци.
БШнформатичний аналгз гена Pi54. За результатами дослгдження 96 нуклеотид-них послГдовностей гена Pi54 рису та його гомологв з'ясовано, що варГабельшсть цьо-го гена е значно нижчою, шж гешв Pi4 та Pib. Переважним видом полГморфГзму е од-нонуклеотидш замши та шделГ невеликого розмГру.
Однак, незважаючи на нижчий рГвень полГморфГзму, еволющя цього гена також носила характер диверсифшацп, осшльки несиношмчних замш бГльше, шж синош-мГчних, що свгдчить про спрямовашсть ево-люцп цього гена на шдвищення рГзнома-шття.
Нижчий полГморфГзм можна пояснити слабшим внеском гена в загальний рГвень стГйкостГ проти патогена, тому й еволюцГя цього гена носила менш штенсивний характер (менший тиск добору). Як Г в разГ з генами Pi4 та Pib, несинонГмГчнГ замГни групуються в невеличк кластери, що пе-ремежовуються протяжними дГлянками пе-реважно консервативних регГошв або ре-гГошв з переважно синошмГчними замь нами.
З 96 нуклеотидних послГдовностей гомо-лоив гена Pi54 лише п'ять були повними та мГстили промоторну дГлянку, екзони та Гн-трони, тому саме вони обраш для фГлогене-тичного аналГзу.
Зразки рису посГвного кластеризуються зГ зразками предкового виду O. rufipogon (рис. 3).
Гeнemuкa
[o IB&LRR resistance parten (Pia) gene partial cds
s» C356437 exons 1-3 Oiyza sdña ой« Casebdla M3S-LRR resistance pmteai pita) gene partial cds Oiyza sdna hulea Gmfk ntna Aus 196 Pita (Pite) gene ampíete cds Oryza srtñra айна US weedy rice 2002-51 Pria (Pí la) gene complete cds Oryza srtnra айна US weedy rice 199t 1 PHa (Pria) gene complete cds
- Oiyza sJwa htfica Gnup айна Kempusat №S-LRR resistance put Hai (Pia) gene partial cds
- Ol у/н sdñra htfica Gaoif> patial pila gene fe* WtS-LRR exons 1-3 айна hfatgaia Я Pita pita) gene complete cds
a GnKf> partial рйа gene fe* №S-LRR exms 1-5 айна Кап kartiga
ж Siddasala IBS4_RR resistance protein (Рйа) gene partial cds
- Oryza srtíva htfica Сгоч> partial pita gene ta IBS4-RR ойпаг Kiianp pie exons 1-4
- Oryza nripagon ийпаг №104501 Pria (Pria) gene ampíete ais
- Oryza п^юдап айна itF9106163 Pria (Pria) gene ampíete cds
- Oryza nripogon айна №106346 Pria (Pria) gene complete cds Г Oiyza nripogon айна №81990 Pria (Pria) gene complete cds L Oiyza nrfpogon айна №106321 Pria (Pria) gene complete cds
- Oiyza srtiua айна (joti Beton tnneded Pita (Pita) gene complete cds
- Oiyza man айна KH№№ Pita (Pita) gene complete cds
p Oiyza ssiña айна US weedy rice 1025D1 Pita (Pita) gene complete cds L Oryza nripogan ийпаг №104871 Pria (Pria) gene complete cds
- Oryza nripogan ийпаг №104833 Pria (Pria) gene complete cds
- Oryza sdiva htfica Gnnf> partial рйа gene ta №S4RR айна Pannala kahî exons 1-3
- Oryza síüih айна Maysue Makage №S4J№ resistance pinten (Pia) gene partial cds
- Oryza sdiva айна Bees^tsat M ti IKR resistance pirteh (Pia) gene partial cds
■ Oiyza sdiua айна Chitóte Dhai Pi-ta (Рйа) gene complete ais
1 Oiyza sdiua айна HR-12 ME I RR re
i) gene partial cds (Pitas
- Oryza irtpogon айна №105388 Pita (Pita) gene complete cds
- Oryza Irtfjogon айна №105720 Pita (Pita) gene complete cds
- Oiyza nripogan ийпаг №106169 Pria (Pria) gene complete cds
- Oryza nripogan ийпаг №105850 Pria (Pria) gene complete cds
- Oryza п^юдоп айна №105888 Pria (Pria) gene complete cds
- Oryza nripogm айна №106453 Pria (Pria) gene complete cds
- Oryza meritfionafes айна №101148 Pria (Pria) gene complete cds
- Oiyza nrfpogon айна №106103 Pria (Pria) gene complete cds p Oiyza nrfpogon айна №106523 Pita (Pita) gene complete cds
L Oryza menfinnafes айна KKH3261 Pita (Pita) gene complete cds
- Oryza Irtpogon айна №104634 Pita (Pita) gene complete cds
- Oryza nripogon ийпаг №106122 Pria (Pria) gene complete cds
- Oiyza sdña ийпаг Chau Pita (Pita) gene complete cds
- Oryza nripognn айна №104/14 Pria (Pria) gene complete cds
- Oryza nripogon айна №106150 Pria (Pria) gene complete cds
- Oryza n^ngon айна HRI105711 Pria (Pria) gene complete cds
- Oiyza nrffngon айна №100588 Pria (Pria) gene complete cds
- Oryza srtiva айна US weedy rice 2004-1-A Pi-ta (Pi-ta) gene complete cds Oiyza srtiua oinaTsuyake Pita (Pita) gene complete cds
эг US wjedy rice 2002-2-prt 21 Pria (Pria) gene complete cds Oiyza sdna htfica Gmf partial рйа gene ta №SUai exons 13 ойпаг Mesebdla p Oiyza sdña ийпаг Tfui MJS-LRR resistance put caí (Pia) gene partial cds < Oryza sdiva айна Bengal Pria (Pria) gene complete als ' Oryza sdña айна Zenilh Pita (Pita) gene complete cds p Oryza nripogon айна №104599 Pria (Pria) gene complete cds L Oiyza nrffngan айна №106168 Pria (Pria) gene complete cds Oryza srtiva htfica Gamp айна Dhala Shailta Pria (Pria) gene complete cds Oiyza srtna айна Ram Jawah 100 «G IKK resistance pinten (Рйа) gene partial cds ' US wœedy rice 1081-01 Pita (Pita) gene complete cds DA13 Pria (Pria) gene complete cds Oryza sdna ийпаг US weedy rice 109M1 Pita (Pita) gene complete cds Oryza sdiva htfeca Gnnf> partial рйа gene ta M1S-LRR айнаТЫЛе de exons 1-3 Oryza sdiva айна US weedy rice Piaaie Co Tal-17 Pria (Pria) gene complete cds Oryza sdira htfeca Gimp partial pria gene lia MBIRR айна Budda exons 1-3 Oiyza sdiva айна Ganmsaina №S-LRR resistance pirteai (Pia) gene partial cds Oiyza nrffngon айна №105491 Pria (Pria) gene complete cds Oiyza srtiua i iiui Ai Oeiii I k«i| Pita (Pita) gene complete cds Oiyza saina айна C101A51 Pita (Pita) gene complete cds
Oiyza saina айна Pafcmpu Puple №S4RR resistance piden (Pia) gene partial cdsV Oryza sdña kxfica Groip partial рйа gene ta WtS-LRR ийпаг ВРГ 5204 exons 13
-Oiyza sdna htfica Gimp partial рйа gene ta hBS-LRR exons 1-3 ойпаг Srfiia-2
-Oryza sdña айна Dhofi Boni Pria (Pria) gene complete cds
-Oryza sdÑa Pria parten (Pita) gene complete cds
|- Oiyza sdiva htfeca Gamp partial рйа gene ta №S-LRR exons 1-3 айна MtC-779 I— Oiyza saña htfica Gnaf> partial рйа gene ta №S-LRR айна R-64 exons 1-3
Gm<f> X Oiyza srtña Japónica Gm<f> partial рйа gene ta №S-IRR exons 1-3 o Gm<f> partial рйа gene ta №S-LRR exons 1-3 ийпаг HR-144 lesistance pinten (Pia) gene partial cds Oryza sdna ийпаг US weedy rice 100441 Pita (Pita) gene complete cds (ftyza sdña ийпаг Omgaflu MtS-LRR resistance рпйеп (Pia) gene partial cds Oryza sdña айна US weedy rice 1GB Pita (Pita) gene complete cds Oryza sdÑa айна Krty Pria (Pria) gene complete cds
Oiyza srtiva Japónica Gmifi айна Krty Pria (Pria) gene complete cds aloidñriy spficed
Oiyza srtiva айна Etanks Pita (Pita) gene complete cds
Oiyza srtiva айна US weedy rice 1091411 Pita (Pita) gene complete cds
Oiyza saina айна US weedy rice 117SD1 Pita (Pita) gene complete cds
Oiyza srtiisi айна US weedy rice 1135U1 Pita (Pita) gene complete cds
Oryza sdña ийпаг Gotak Gd* Pita (Pita) gene complete cds
Oiyza sdña ийпаг US weedy rice 1134-01 Pita (Pita) gene complete cds
Oryza ¡süva айна CHHiZln «Ci 113-1 resistance pmteh (Pia) gene partial cds
Oryza siiHa htfica Gron> partial рйа gene ta №S4«R exons 1-3 айна SatarpM
Oiyza sdira htfica Gmip partial pria gene tm MBIRR айна Rrtnachuda exons 1-2
Oiyza srtiva htfica Gimp partial pita gene fa WtS-LRR айна Vasatesana Ьй1а exons 1-2
- Oiyza srtiva htfica Gnaf> айна HPR 2178 MtS I RR lesistance pinteh (Рйа) gene partial als
- Oiyza srtñra htfica Graft partial рйа gene ta MIS-LRR айна 1С36Б448 exons 1-3
- Oiyza sdña htfica Олиф partial pita gene ta IBSLRR ойпаг Sama mdaie exons 1-2
- Oiyza n^ngan ийпаг KRH00916 butcded Pria (Pria) gene complete cds
0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0.000
Гeнeтична дисанфя, y. o.
Рио 2. Фíлoдeндpoгpaмa зa peзультaтaми виpíвнювaння гoмoлoгíв гeнa Pi4 pиcу
(Назви бiля гiлoк e назвами зpазкiв вiдпoвiднo дo NCBI)
266
СортовивчЕння та ОхоронА прав на сорти рослин, 2017, Т.
13, №3
.Oryza saliva Indica Group ecotype Boha ThutasiJoha'NBS-LSR disease resistance protein (Pith) gene complete cds Oryza sativa Indica Group ecofype Amana Bam NBS-LRR disease resistance protein (Pith) gene complete cds
--— Oryza rvfipogon cultivtir 80671 mutant resistance protem (Pi54) gene complete cds
— -fjry/u nififxt^fn sevil liters*ton tnimbvr 1065Q7 NHS LSR disease resistance firotpin (I'lkh) ^ne complete cds
-Oryza grandiglwnis pi54 gene for NBS-LRR
0.1 005 0.004 0.003 0.002 0.001 < 00
Генетична дистанцл'я, у.о.
Рис. 3. Фл'лодендрограма за результатами вир1*внювання гомолоп'в гена Pi54 рису
(Назви блля п'лок е назвами зразклв влдповлдно до NCBI)
Висновки
Для еволюцп гешв стшкосп рису проти ш-рикулярюзу Pi4, Pib та Pi54 характерним е диверсифшуючий добГр, осшльки встановле-но, що кГлькГсть несиношмГчних замш у ко-дуючих послГдовностях перевищуе кГлькГсть синоштчних. Враховуючи те, що для росли-ни та паразита характерною е напружена ко-еволющя, а також значну швидшсть адапта-ци та утворення нових рас патогена, щлком природно, що цГ гени зазнають Гнтенсивного добору, спрямованого на диверсифшащю, тоб-то пГдвищення рГзноманГття з метою набуття стшкосп проти нових рас патогена. Несинош-мГчнГ замГни мали схильнГсть розмГщуватися близько одна до одно!, ГнодГ утворюючи щось подГбне до кластерГв, тодГ як деякГ кодуючГ дГлянки або були надконсервативними, або мГстили переважно синошж1чш замши. Цей факт можна пояснити тим, що, як вГдомо з лГтературних джерел, продукти експресГ! цих гешв мають здатнГсть «розпГзнавати» специ-фГчнГ мГкробГальнГ ефектори та мають специ-фГчш дГлянки, якГ саме й залучен в цьому процесГ. Можливо, саме цГ дГлянки генГв Г де-термГнують тГ амГнокислотнГ послГдовностГ, якГ визначають специфГчнГсть розшзнавання мГкробГальних ефекторГв Г тому зазнають най-ГнтенсивнГшого добору.
Використана литература
1. Ashkani S., Rafii M., Shabanimofrad M. et al. Molecular breeding strategy and challenges towards improvement of blast disease resistance in rice crop. Front. Plant Sci. 2015. Vol. 6. P. 1-14. doi: 10.3389/fpls.2015.00886
2. Дудченко В. В. Державне законодавче регулювання рисового виробництва та його наукове забезпечення в УкраТт. Херсон : Айлант, 2015. 60 с.
3. Marone D., Russo M., Laidт G. et al. Plant nucleotide binding site-leucine-rich repeat (NBS-LRR) genes: Active guardians in host defense responses. Int. J. Mol. Sci. 2013. Vol. 14, Iss. 4. P. 7302-7326. doi: 10.3390/ijms14047302.
4. Integrated Rice Science Database Oryzabase. URL: https:// shigen.nig.ac.jp/rice/oryzabase/
5. Chen X., Ronald P. Innate immunity in rice. Trends Plant Sci. 2011. Vol. 16, Iss. 8. P. 451-459. doi: 10.1016/j.tplants.2011.04.003
6. Divya B., Biswas A., Robin S. et al. Gene interactions and genetics of blast resistance and yield attributes in rice (Oryza sativa L.). J. Genet. 2014. Vol. 93, Iss. 2. P. 415-424. doi:10.1007/ s12041-014-0395-7
7. Галаев 0. В., Галаева M. В., Шпак Д. В. Виявлення расоспеци-фл'чних генлв сп'йкосп' до пл'рикулярл'озу Pi-ta та Pi-b у сорп'в рису (Oryza sativa L.). 36ipHUK наук. праць СГ1-НЦНС. 2015. Вип. 25. С. 120-128.
8. National Center for Biotechnology Information Database. URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
9. Smith S., Waterman M. Identification of common molecular subsequences. J. Mol. Biol. 1981. Vol. 147, Iss. 1. P. 195-197.
10. Needleman S., Wunsch C. A general method applicable to the search for similarities in the amino acid sequence of two proteins. J. Mol. Biol. 1970. Vol. 48, Iss. 3. P. 443-453.
11. Edgar R. MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput. Nucleic Acids Res. 2004. Vol. 32, Iss. 5. P. 1792-1797. doi: 10.1093/nar/gkh340
12. Sneath P., Sokal R. Numerical taxonomy: The principles and practice of numerical classification. San Francisco : W. H. Freeman & Co, 1973. 573 р.
13. Kosakovsky Pond S. L., Frost S. D. W., Muse S. V. HyPhy: hypothesis testing using phylogenies. Bioinformatics. 2005. Vol. 21, Iss. 5. P. 676-679. doi: 10.1093/bioinformatics/bti079
14. Muse S. V., Gaut B. S. A likelihood approach for comparing synonymous and nonsynonymous nucleotide substitution rates, with application to the chloroplast genome. Mol. Biol. Evol. 1994. Vol. 11, Iss. 5. P. 715-724.
15. Felsenstein J. Evolutionary trees from DNA sequences: a maximum likelihood approach. J. Mol. Evol. 1981. Vol. 17, Iss. 6. P. 368-376.
16. Kosakovsky Pond S. L., Frost S. D. Not so different after all: A comparison of methods for detecting amino acid sites under selection. Mol. Biol. Evol. 2005. Vol. 22, Iss. 5. P. 1208-1222. doi: 10.1093/molbev/msi105
References
1. Ashkani, S., Rafii, M., Shabanimofrad, M., Miah, G., Sahebi, M., Azizi, P., ... Nasehi, A. (2015). Molecular breeding strategy and challenges towards improvement of blast disease resistance in rice crop. Front. PlantSci., 6, 1-14. doi: 10.3389/fpls.2015.00886
2. Dudchenko, V. V. (2015). Derzhavnezakonodavche rehuliuvannia rysovoho vyrobnytstva tayoho naukovezabezpechennia v Ukraini [State legislative regulation of rice production and its scientific support in Ukraine]. Kherson: Ailant. [in Ukrainian]
3. Marone, D., Russo, M., Laid^ G., De Leonardis, A., & Mastrangelo, A. (2013). Plant nucleotide binding site-leucine-rich repeat (NBS-LRR) genes: Active guardians in host defense responses. Int. J. Mol. Sci., 14(4), 7302-7326. doi: 10.3390/ijms14047302.
4. Integrated Rice Science Database Oryzabase. Retrieved from https://shigen.nig.ac.jp/rice/oryzabase/
5. Chen, X., & Ronald, P. (2011). Innate immunity in rice. Trends Plant Sci., 16(8), 451-459. doi: 10.1016/j.tplants.2011.04.003
6. Divya, B., Biswas, A., Robin, S., Rabindran, R., & Joel, A. (2014). Gene interactions and genetics of blast resistance and yield attributes in rice (Oryza sativa L.). J. Genet., 93(2), 415-424. doi: 10.1007/s12041-014-0395-7
7. Halaiev, O., Halaieva, M., & Shpak, D. (2015). Detection of race-specific genes of resistance to piryculariosis Pi-ta and Pi-b in rice varieties (Oryza sativa L.). Zbirnyk naukovykh prats SHI-NTsNS [Collected scientific articles of PBGI-NCSCI], 25, 120-128. [in Ukrainian]
Генетика
8. NationalCenterforBiotechnology Information Database. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
9. Smith, S., & Waterman, M. (1981). Identification of common molecular subsequences. J. Mol. Biol., 147(1), 195-197.
10. Needleman, S., & Wunsch, C. (1970). A general method applicable to the search for similarities in the amino acid sequence of two proteins. J. Mol. Biol., 48(3), 443-453.
11. Edgar, R. (2004). MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput. Nucleic Acids Res., 32(5), 1792-1797. doi: 10.1093/nar/gkh340
12. Sneath, P., & Sokal, R. (1973). Numerical taxonomy: The principles and practice of numerical classification. San Francisco: W. H. Freeman & Co.
13. Kosakovsky Pond, S. L., Frost, S. D. W., & Muse, S. V. (2005). HyPhy: hypothesis testing using phylogenies. Bioinformatics, 21(5), 676-679. doi: 10.1093/bioinformatics/bti079
14. Muse, S. V., & Gaut, B. S. (1994). A likelihood approach for comparing synonymous and nonsynonymous nucleotide substitution rates, with application to the chloroplast genome. Mol. Biol. Evol., 11(5), 715-724.
15. Felsenstein, J. (1981). Evolutionary trees from DNA sequences: a maximum likelihood approach. J. Mol. Evol., 17(6), 368-376.
16. Kosakovsky Pond, S. L., & Frost, S. D. Not so different after all: A comparison of methods for detecting amino acid sites under selection. Mol. Biol. Evol., 22(5), 1208-1222. doi: 10.1093/ molbev/msi105
УДК 633.15.631.527
Бондаренко E. В.1, Слищук Г. И.2, Волкова Н. Э.2* Биоинформатический анализ генов риса посевного (Oryza sativa L.), ассоциированных с устойчивостью к пирикуляриозу // Сортовивчення та охорона прав на сорти рослин. 2017. Т. 13, № 3. С. 263-268. http://dx.doi.Org/10.21498/2518-1017.13.3.2017.110708
1Институт риса НААНУкраины, с. Антоновка, Скадовский р-н, Херсонская обл., 75705, Украина
2Селекционно-генетический институт - Национальный центр семеноводства и сортоизучения, ул. Овидиопольская дорога, 3, г. Одесса, 65036, Украина, "e-mail: natavolki@ukr.net
Цель. Иccлeдoвaть пoлимopфизм гeнoв ycтoйчивocти pи-ca пoceвнoгo к пиpикyляpиoзy биoинфopмaтичecкими мe-тoдaми. Ме^ды. Глoбaльнoe и лoкaльнoe выpaвнивaниe нук^ТИДНЫ^ пocлeдoвaтeльнocтeй, филoгeнeтичecкий aнa-лиз, тecт HyPhy. Результаты. Для гeнa Pib ycтaнoвлeны мнo-гoчиcлeнныe oднoнyклeoтидныe зaмeны и дeлeции 1-3 п. н. Иccлeдoвaнa филoгeния дaннoгo гeнa,• нaйдeны гoмoлoги гак y paзныx видoв pиca, тaк и y дpyгиx злaкoвыx, что cви-дeтeльcтвyeт o вoзмoжнocти кoдиpoвaния ими бeлкoв, «pac-пoзнaющиx» эффeктopы фитoпaтoгeнoв, т. e. дaнныe гoмo-лoги мoгyт быть вoвлeчeны в oбecпeчeниe ycтoйчивocти к фитoпaтoгeнaм. Для гeнa Pi4 xapaктepны oднoнyклeoтидныe зaмeны, инcepции и дeлeции,• кoличecтвo нecинoнимичниx зaмeн пpeвышaeт кoличecтвo cинoнимичecкиx. Bapиaбeль-нocть гeнa Pi54 знaчитeльнo нижe, чeм гeнoв Pi4 и Pib. Ïpe-oблaдaющими видaми пoлимopфизмa являютоя oднoнyклeo-тидныe зaмeны и индeли нeбoльшoгo paзмepa. Уcтaнoвлeнo,
что несинонимичные замены в генах Pi54, Pi4 и Pib имели склонность располагаться близко друг к другу, иногда образуя кластеры, в то время как некоторые кодирующие участки или были сверхконсервативными, или содержали преимущественно синонимичные замены. На филодендрограммах образцы риса посевного кластеризуются с образцами пред-ковых дикорастущих видов. Выводы. Для эволюции генов устойчивости риса к пирикуляриозу Pi4, Pib и Pi54 характерен диверсифицирующий отбор. Учитывая, что для растения и паразита свойственна напряженная коэволюция, значительная скорость адаптации и создания новых рас патогена, эти гены подвергаются интенсивному отбору, направленному на повышение разнообразия с целью приобретения устойчивости к новым расам патогена.
Ключевые слова: гены Pib, Pi54, Pi4, выравнивание последовательностей, филогенетический анализ, эволюция, однонуклеотидный полиморфизм, индели.
UDC 633.15.631.527
Bondarenko, K. V.1, Slishchuk, H. I.2, & Volkova, N. E.2* (2017). Rice (Oryzasativa L.) blast resistance genes bio-informatic analysis. Plant Varieties Studying and Protection, 13(3), 263-268. http://dx.doi.org/10.21498/2518-1017.13.3.2017.110708
institute of rice of NAAS of Ukraine, Antonivka, Skadovsk district,
2Plant Breeding and Genetics Institute - National Center of Seed Ukraine, *e-mail: natavolki@ukr.net
Purpose. To investigate rice blast resistance genes polymorphism by using bioinformatic methods. Methods. Global and local nucleotide alignment, phylogenetic analysis, HyPhy test. Results. For Pib gene, numerous single nucleotide substitutions and deletions of 1-3 bp were established. The phylogeny of this gene has been studied and homologues have been found both in various rice species and in other cereals. These sequences can encode proteins that «recognize» the phytopathogens effectors, and can also be associated with resistance to phytopathogens. The Pi4 gene is characterized by single nucleotide substitutions, insertions and deletions; the number of non-synonymous substitutions exceeds the number of synonymous ones. The Pi54 gene variability is significantly lower than that of the Pi4 and Pib genes. The predominant types of polymorphism were single nucleotide substitutions and small-sized indels. It was found that non-synonymous substitutions in Pi54, Pi4 and Pib genes
Kherson region, 75705, Ukraine
and Cultivar Investigation, 3 Ovidiopolska doroga Str., Odesa, 65036,
were in close proximity, sometimes forming clusters, while some coding regions were either superconservative or contained predominantly synonymous substitutions. On philodendrograms, cultivated rice samples were clustered with samples of ancestral wild-growing species. Conclusions. Evolution of the rice blast resistance genes Pi4, Pib and Pi54 is characterized by diversification selection. Considering that tense coevolution and significant rate of adaptation and creation of new pathogen races are typical for a plant and a parasite, these genes are subjected to intensive selection aimed at increasing diversity for obtaining the resistance to new races of the pathogen.
Keywords: Genes Pib, Pi54, Pi4, sequence alignment, phylogenetic analysis, evolution, single nucleotide polymorphism, indels.
Hadiuwëa / Received 12.05.2017 nozodxeHO do dpyny/ Accepted 11.07.2017
268
сортовивчЕння ТА охорона прав на сорти рослин, 2017, Т. 13, №3
