Научная статья на тему 'Филогенетические отношения у видов Fagopyrum, основанные на данных анализа b/c интрона гена nad1'

Филогенетические отношения у видов Fagopyrum, основанные на данных анализа b/c интрона гена nad1 Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
54
10
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГРЕЧИХА / ПОЛИМОРФИЗМ / МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ ГЕНОМ / ЭВОЛЮЦИЯ / BUCKWHEAT / POLYMORPHISM / MITOCHONDRIAL GENOME / EVOLUTION

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Кадырова Гузель Дамировна, Рыжова Наталья Николаевна, Кочиева Елена Зауровна

Впервые был охарактеризован b/c интрон гена nad1 13 видов Fagopyrum и показана возможность использования интрона гена nad1 для идентификации видов гречихи. Размеры b/c интрона гена nad1 варьировали от 1217 п.н. (F. tataricum, F. cymosum) до 1239 п.н. (F. capillatum). Были определены видоспецифичные SNPs и индели. Полученная филогения рода совпала с основанной на морфологических признаках. NJ и MP дендрограммы выявили четкое разделение анализируемых видов на две основные группы: cymosum и urophyllum. Группа видов urophyllum характеризовалась присутствием нескольких синапоморфных замен и инделей, включая 11-нуклеотидную вставку, фланкированную прямыми повторами.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Кадырова Гузель Дамировна, Рыжова Наталья Николаевна, Кочиева Елена Зауровна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PHYLOGENETIC RELATIONSHIPS IN FAGOPYRUM SPECIES BASED ON NUCLEOTIDE POLYMORPHISM OF b/c INTRON OF NAD1 GENE

The sequence analysis of b/c intron of nad1 mitochondrial gene in 13 Fagopyrum species was carried out and demonstrated ability of this intron to use in phylogenetic studies. The length of the mitochondrial nad1 b/c intron varied from 1217 bp in F. tataricum, F. cymosum, F. giganteum to 1239 bp in F. capillatum. Speciesand accessionspecific SNPs and indels were detected. For obtained molecular phylogeny of Fagopyrum species a good agreement with the recognized taxonomic divisions within the genus was observed. NJ and MP trees showed a clear clustering into two major genetic groups: cymosum and urophyllum. The urophyllum group was characterized by the presence of several synapomorphic characters including 11 bp insert flanked by directrepeats.

Текст научной работы на тему «Филогенетические отношения у видов Fagopyrum, основанные на данных анализа b/c интрона гена nad1»

УДК 575.174.015.3:582.599

ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОТНОШЕНИЯ У ВИДОВ FAGOPYRUM, ОСНОВАННЫЕ НА ДАННЫХ АНАЛИЗА b/c ИНТРОНА ГЕНА NAD1

Г.Д. Кадырова12, Н.Н. Рыжова1, Е.З. Кочиева1

(1Центр "Биоинженерия" РАН, г.Москва, 2 Татарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства, г. Казань; e-mail: guzel_asd@rambler.ru)

Впервые был охарактеризован b/c интрон гена nadl 13 видов Fagopyrum и показана возможность использования интрона гена nadl для идентификации видов гречихи. Размеры b/c интрона гена nadl варьировали от 1217 п.н. (F. tataricum, F. cymosum) до 1239 п.н. (F. capil-latum). Были определены видоспецифичные SNPs и индели. Полученная филогения рода совпала с основанной на морфологических признаках. NJ и MP дендрограммы выявили четкое разделение анализируемых видов на две основные группы: cymosum и urophyllum. Группа видов urophyllum характеризовалась присутствием нескольких синапоморфных замен и инделей, включая 11-нуклеотидную вставку, фланкированную прямыми повторами.

Ключевые слова: гречиха, полиморфизм, митохондриальный геном, эволюция.

Гречиха (род Fagopyrum Mill, сем. Polygonaceae) — одна из ценнейших крупяных культур. Согласно последним данным, принято выделять 16 видов Fa-gopyrum, которые подразделяются на две главные филогенетические группы: cymosum и urophyllum. Группа cymosum характеризуется крупными плодами и включает два культурных (F. esculentum Mo-ench, F. tataricum Gaertn) и два диких вида (F. homo-tropicum Ohnishi, F. cymosum Meissn) гречихи. Вторая группа, или группа urophyllum, с мелкими плодами, включает вид F. urophyllum (Bur. et Franch) Gross и 11 оставшихся диких видов [1]. Из 16 видов гречихи, культивируется два вида — посевная (F. esculen-tum) и татарская (F. tataricum) [2]. Однако состав и филогенетические отношения рода Fagopyrum окончательно не определены, что связано еще и с тем, что с 1990 по 2002 г. было обнаружено более 10 новых видов и подвидов [3].

В настоящее время для решения таксономических и филогенетических вопросов у рода Fagopyrum широко используются методы как мульти-локусного анализа, так и исследования отдельных участков ядерного и хлоропластного геномов [4]. Однако до настоящего момента не было данных о митохондриальном геноме гречихи.

Второй (b/c) интрон гена nadl митохондриаль-ной ДНК (мтДНК) считается наиболее полиморфным и используется для филогенетических исследований у растений [5].

Целью данной работы стал анализ степени вариабельности интрона b/c гена nadl (мтДНК) у Fagopyrum: характеристика нуклеотидной последовательности этого интрона у представителей различных видов и оценка возможности его использования для решения таксономических проблем и выявления филогенетических отношений в роде Fagopyrum.

Материалы и методы

Для молекулярного анализа генома из коллекций ГНУ ГНЦ РФ ВИР и ГНУ ТагНИИСХ были подобраны 23 образца 13 видов рода Fagopyrum различного географического происхождения.

ДНК выделяли по стандартной методике [6]. Для амплификации b/c интрона гена nadl мтДНК последовательности праймеров были взяты из статьи Demesure et al. [7]. Все амплифицированные фрагменты секвенировали с использованием ABI 310 cap-pilary DNA Analyzer (Центр "Биоинженерия" РАН).

Последовательности выравнивали и анализировали с помощью программы MEGA 3.0. Филогенетические деревья строили методами объединения соседей (Neighbor-Joining, NJ) и максимальной экономии (Maximum Parsimony, MP) в программе PAUP 4.0b10. Устойчивость филогенетических деревьев в NJ и MP анализах оценивали методом бут-стрепа, используя 1000 реплик.

Результаты и обсуждение

Размеры b/c интрона гена nadl варьировали от 1217 п.н. у представителей видов F. tataricum, F. cymosum и F. giganteum до 1239 п.н. у представителей вида F. capillatum. Общая длина выравненной последовательности составила 1244 п.н.

Анализ b/c интрона nadl мтДНК гречихи показал, что данный участок достаточно вариабелен и по присутствию нуклеотидных замен все виды гречихи могут быть легко различимы и, следовательно, b/c интрон гена nadl может быть использован для идентификации видов Fagopyrum. При этом выявленные точковые нуклеотидные замены (SNP) и индели позволили определить генетически родственные группы видов. Так, например, были выяв-

MP-дендрограмма, построенная по последовательностям нитрона nad1 митохондриального генома Fagopyrum (CI = 0,963;

RI = 0,975). Указаны значения бутстреп-поддержки > 50%

лены нуклеотидные замены, специфичные для филогенетических групп cymosum и urophyllum. Группа cymosum (F. cymosum, F. tataricum, F. giganteum, F. es-culentum и F. homotropicum) характеризовалась присутствием замен C378 и A743 (от начала интрона), тогда как для группы urophyllum (F. gracilipes, F. capillatum, F. rubifolium, F. callianthum, F. macrocarpum, F. lepto-podum, F. lineare, F. urophyllum) в этих же позициях были нуклеотидные замены A378 и T743. Для F. escu-lentum и F. homotropicum детектированы замены, специфичные лишь для этих двух видов (A137, G570).

Несмотря на небольшое число видоспецифич-ных замен, последовательность интрона оказалась весьма интересной. Так, было показано, что при относительной консервативности 5'- и 3'- концов ин-трона последовательности его центральной части значительно различались прежде всего за счет ви-доспецифичных инделей. Так, все виды группы urophyllum, взятые в анализ, характеризовались наличием 11-нуклеотидной GA-богатой синапоморф-ной вставки в позиции 343 от начала интрона, фланкированной прямыми GAGG-повторами. Также хотелось бы отметить последовательность AGAAA в позиции 949. У всех видов группы cymosum данный пентануклеотид присутствовал в последовательности один раз. У всех анализируемых видов группы urophyllum последовательность AGAAA была повторена тандемно, кроме вида F. capillatum, у которого этот пентануклеотид повторялся трижды.

Помимо инсерций, которые были описаны выше, для некоторых видов рода Fagopyrum были выявлены специфичные делеции. Так, виды F. tataricum, F. cymosum и F. giganteum характеризовались деле-цией 6-нуклеотидной последовательности TTGAAC в позиции 707, тогда как у всех остальных анализируемых видов групп cymosum и urophyllum данная последовательность присутствовала. Кроме этого в положении 632 была обнаружена делеция 10-нук-леотидной последовательности (TCTAGAGAGG), специфичная для вида F. lineare.

Дендрограммы (NJ и МР), построенные на основе полученных результатов, показали четкое разделение анализируемых видов на две группы (рисунок). Один кластер объединил все виды, относящиеся к группе cymosum, другой кластер образовали виды группы urophyllum. Анализ b/c интрона гена nad1 мтДНК на обеих дендрограммах выявил четкую дифференциацию группы cymosum на два субкластера, поддерживаемых высокими значениями бутстрепа (99 и 77%). Первый субкластер объединил виды F. esculentum и F. homotropicum, а второй — F. tataricum, F. cymosum и F. giganteum. Аналогичное деление видов группы cymosum было показано ранее при исследовании полиморфизма rbcL-accD спейсе-ра хпДНК и ITS-района ядерной ДНК [4]. В то же время группа urophyllum не разделилась на субкластеры, которые были выявлены при анализе хлоро-пластного генома [8].

Проведенный анализ b/c интрона гена nad1 мтДНК не подтвердил гипотезу о происхождении вида F. esculentum от F. cymosum и совпал с результатом анализа хлоропластного генома, предлагающим F. homotropicum в качестве одного из предков гречихи посевной [2].

Таким образом, в данной работе впервые проведен анализ полиморфизма участка митохондриального генома гречихи. Для всех анализируемых видов выявлены специфичные замены и индели и, следовательно, показана возможность использования интрона гена nad1 для идентификации видов Fagopyrum и выявления филогенетических отношений представителей рода. Полученная филогения рода в целом совпала с основанной на морфологических признаках. Также показано совпадение эволюционной направленности хлоропластного и мито-хондриального геномов, что выражается в выделении

группы видов cymosum и urophyllum.

* * *

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 10-04-01564-а).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Yamane K., Yasui Y., Ohnishi O. Intraspecific cpDNA gopyrum cymosum (Polygonaceae) // Am. J. Bot. 2003. Vol. 90. variation of diploid and tetraploid perennial buckwheat, Fa- P. 339—346.

19 ВМУ, биология, № 4

2. Campbell C.G. Buckwheat. Fagopyrum esculentum Mo-ench // International Plant Genetic Resources Institute. Rome, Italy, 1997. 95 p.

3. Ohsako T, Yamane K, Ohnishi O. Two new Fagopyrum (Polygonaceae) species F.gracilipedoides and F.jinshaense from Yunnan, China // Genes and Genet. Syst. 2002. N 77. P. 399-408.

4. Yasui Y, Ohnishi O. Interspecific relationships in Fagopyrum (Polygonaceae) revealed by the nucleotide sequences of the rbcL and accD genes and their intergenic region // Am. J. Bot. 1998a. Vol. 85. P. 1134-1142.

5. Cameron K.M. On the value of nuclear and mitochon-drial gene sequences for reconstructing the phylogeny of va-

nilloid orchids (Vanilloideae, Orchidaceae) // Ann. Bot. 2009. Vol. 104(3). P. 377-385.

6. Edwards K, Johnstone C, Thompson C. A simple and rapid method for the preparation of plant genomic DNA for PCR analysis // Nucl. Acids Res. 1991. Vol. 19(6). Р. 1349.

7. Demesure B., Sodzi N, Petit R.J. A set of universal primers for amplication of polymorphic non-coding regions of mitochondrial and chloroplast DNA in plants // Molec. Ecol. 1995. Vol.4. P. 129-131.

8. Sharma T.R., Jana S. Species relationships in Fagopyrum revealed by PCR-based DNA fingerprinting // Theor. Appl. Genet. 2002. Vol. 105. P. 306-312.

Поступила в редакцию 04.04.2010

PHYLOGENETIC RELATIONSHIPS IN FAGOPYRUM SPECIES BASED

ON NUCLEOTIDE POLYMORPHISM OF b/c INTRON OF NAD1 GENE

G.D. Kadyrova, N.N. Ryzhova, E.Z. Kochieva

The sequence analysis of b/c intron of nadl mitochondrial gene in 13 Fagopyrum species was carried out and demonstrated ability of this intron to use in phylogenetic studies. The length of the mitochondrial nadl b/c intron varied from 1217 bp in F. tataricum, F. cymosum, F. giganteum to 1239 bp in F. capillatum. Species- and accession- specific SNPs and indels were detected. For obtained molecular phylogeny of Fagopyrum species a good agreement with the recognized taxo-nomic divisions within the genus was observed. NJ and MP trees showed a clear clustering into two major genetic groups: cymosum and urophyllum. The urophyllum group was characterized by the presence of several synapomorphic characters including 11 bp insert flanked by directrepeats.

Key words: buckwheat, polymorphism, mitochondrial genome, evolution.

Сведения об авторах

Кадырова Гузель Дамировна — науч. сотр., ГНУ Татарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства, 420059, Казань, Оренбургский тракт, 48. E-mail: guzel_asd@ rambler.ru

Рыжова Наталья Николаевна — науч. сотр. Центра "Биоинженерия" РАН, 117312, Москва, ул. 60-летия Октября, д. 7, корп. 1. E-mail: rynatalia@yandex.ru

Кочиева Елена Зауровна — вед. науч. сотр. Центра "Биоинженерия" РАН, 117312, Москва, ул. 60-летия Октября, д. 7, корп. 1. E-mail: ekochieva@yandex.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.