CC BY
13
Turczaninowia 23, 4: 99-110 (2020) DOI: 10.14258/turczaninowia.23.4.10 http://turczaninowia.asu.ru
ISSN 1560-7259 (print edition)
TURCZANINOWIA
ISSN 1560-7267 (online edition)
УДК 582.582.4+575.86+57.088.1
Интрогрессивно-межвидовой комплекс Musa basjoo sensu lato: результаты изучения генетического разнообразия методами
молекулярной филогении
Е. М. Арнаутова1, Н. Н. Носов1*, А. И. Шмаков2, А. В. Родионов1, 3
1 Ботанический институт им. В. Л. Комарова РАН, ул. Проф. Попова, д. 2, г. Санкт-Петербург, 197376, Россия.
E-mails: [email protected], [email protected]*
2Алтайский государственный университет, пр. Ленина, 61, г. Барнаул, 656049, Россия. E-mail: [email protected]
Ключевые слова: гибридизация, молекулярно-филогенетический анализ, barcoding, Musa, ITS, trnL-trnF.
Аннотация. В этой статье мы сравниваем филогенетическое положение различных образцов японского банана (Musa basjoo), происходящих из оранжерей Ботанического сада БИН РАН и из городского сада Киото, с помощью анализа маркерных последовательностей ITSl-гена 5.8S рРНК-ITS2 и trnL-trnF. Образцы M. basjoo, выращиваемые в Ботаническом саду Петра Великого, происходят из Китая и имеют некоторые морфологические отличия от типичных японских. Кроме того, в наше исследование были добавлены нукле-отидные последовательности видов рода из международной базы данных GenBank. По результатам анализа последовательностей ITS образцы M. basjoo формируют единую кладу с M. itinerans и M. tonkinensis, соответствующую подсекции в секции Musa. При этом M. basjoo из Ботанического сада БИН РАН отличается по первичной последовательности ITSl-гена 5.8S рРНК-ITS2 от японского, образуя кладу, невысоко поддержанную с M. tonkinensis. Два образца M. basjoo, собранные в Китае, чьи последовательности взяты из базы данных, попадают в отдельную субкладу внутри клады M. basjoo, возможно, являясь и особым видом из этой группы родства. По хлоропластным последовательностям trnL-trnF большинство образцов M. basjoo также попадают в единую кладу с M. itinerans. Однако один образец M. basjoo из базы данных GenBank монофилетичен с M. acuminata и принадлежит к другой кладе. Отмечено, что группа родства M. basjoo представляет собой сложный гибридный комплекс, в котором имеются растения, различающиеся по составу материнского генома.
3 Санкт-Петербургский государственный университет, Университетская наб., д. 7-9, г. Санкт-Петербург, 199034, Россия
* Автор для переписки
Introgressive-interspecies complex Musa basjoo sensu lato: results of genetic diversity research by molecular phylogeny methods
E. M. Arnautova1, N. N. Nosov1*, A. I. Shmakov2, A. V. Rodionov1- 3
1 Komarov Botanical Institute of the RAS, Professor Popov street, 2, St. Petersburg, 197376, Russian Federation 2 Altai State University, Lenina pr., 61, Barnaul, 656049, Russian Federation 3 St. Petersburg State University, Universitetskaya quay, 7-9, St. Petersburg, 199034, Russian Federation
Keywords: barcoding, hybridization, ITS, molecular phylogenetic analysis, Musa, trnL-trnF.
Поступило в редакцию 08.10.2020 Принято к публикации 09.11.2020
Submitted 08.10.2020 Accepted 09.11.2020
loo
Summary. In this article, we compare the phylogenetic position of various specimens of the Japanese banana (Musa basjoo) originating from the greenhouses of the St. Petersburg Botanical Garden of Peter the Great and from the Kyoto Garden using the analysis of marker sequences ITS1-5.8S rRNA-ITS2 and trnL-trnF. Samples of M. basjoo grown in the Peter the Great Botanical Garden originate from China and have some morphological differences from typical Japanese ones. In addition, we used sequences from the international GenBank database. According to the results of the analysis of ITS sequences, the M. basjoo samples form a single clade with M. itinerans and M. tonkinen-sis, possibly corresponding to the subsection in the section Musa. At the same time, M. basjoo from Peter the Great Botanical Garden differs in the primary sequence of the ITS1-5.8S rRNA-ITS2 from Japanese one forming a lowly supported clade with M. tonkinensis. Two M. basjoo samples collected in China, whose sequences are taken from the GenBank database, fall into a separate subclade within M. basjoo clade, possibly being a special species from this affinity group. According to the trnL-trnF chloroplast sequences, most of the M. basjoo samples also fall into the clade with M. itinerans. However, one M. basjoo specimen from the Genbank database is monophyletic with M. acuminata from a completely different clade. Possibly, the affinity group of M. basjoo is a compound hybrid complex containing plants that differ in the composition of the maternal genome.
Санкт-Петербургский Ботанический сад Петра Великого Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН (Ботанический сад БИН РАН) до Великой отечественной войны имел самую крупную в России коллекцию оранжерейных растений. Блокада Ленинграда, бомбежки фактически почти полностью уничтожили оранжерейную коллекцию. Но уже в 1946 г. из Сухума пришло 6 вагонов с живыми растениями. Растения для Ленинграда собирались по всему побережью, в том числе в сборе растений участвовал Батумский ботанический сад, где содержалась большая коллекция китайских растений, в свое время собранная основателем Сада российским ботаником и географом Андреем Николаевичем Красновым. Ленинградские оранжереи пополнились субтропическими растениями, среди которых был и Musa basjoo Siebold et Zuccarini ex Iinuma.
Musa basjoo известен по всему свету как японский банан. Ранее считалось, что вид происходит с островов Рюкю на юге Японии, откуда он впервые был описан как культивированный, но, как теперь известно, он произошел из южного Китая, где он также широко культивируется, причем дикие популяции до сих пор встречаются в провинции Сычуань (Wu, Kress, 2000). Назван данный вид по имени японского монаха Басьё, который когда-то привез это растение в Японию (Siebold, 1830). Банан хорошо прижился на островах Японии, и теперь трудно представить японский храмовый или дворцовый сад без этого растения.
В оранжереях Ботанического сада БИН РАН Musa basjoo растет с 1946 г., но при сравнении нашего экземпляра с экземплярами из Сочи, Су-хума, Батуми и оранжерейными экземплярами из других садов возникает сомнение в правильности определения данного вида.
Во-первых, отличаются размеры псевдоствола. В описании указано, что Musa basjoo имеет псевдоствол 2,5-4 м (Wu, Kress, 2000). В садах на побережье Черного моря экземпляры японского банана примерно 2,5 м высотой, причем они каждый год цветут, но семена не вызревают. В оранжереях Ботанического сада БИН РАН экземпляры несколько выше, поскольку заморозков в оранжереях нет, семена всегда вызревают в декабре.
Японские экземпляры (из ботанического сада Токио, университетского сада в Киото, университетского сада в Тсукубе) выше, 3,5-5 м, семена там также созревают в декабре. Очевидно, мягкий климат без отрицательных температур благоприятен для данного вида.
Во-вторых, сомнения иногда вызывает окраска покровных листьев соцветия (рис. 1, 2, 3). Обычно она колеблется от желтого до фиолетового цвета. При этом у батумских и сухумских экземпляров M. basjoo окраска покровных листьев соцветия (брактей) чаще всего желтоватая, с фиолетовым оттенком, в Ботаническом саду БИН РАН иногда на одном растении в разные годы можно было увидеть желтые и фиолетовые прицветники. Во «Флоре Китая» (Wu, Kress, 2000) окраска брактей указана от красно-коричневого до фиолетового цвета.
Бананы (Musa L.) отличаются устойчивым основным хромосомным числом, x = 10 или 11, причем все дикорастущие представители рода -диплоиды (Cheesman, 1947; Li et al., 2010, Liu et al., 2010; Feng et al., 2015). Тем не менее, различные виды банана имеют сложное, нередко гибридное происхождение (Shepherd, 1988, 1999; Swangpol et al., 2007; Li et al., 2010; Christelová et al., 2011). В связи с этим актуальность приобретают молекулярно-филогенетические методы, в частности, секвенирование маркерных после-
довательностей ядерной и хлоропластной ДНК. Хлоропластные гены у бананов наследуются унипарентально, по материнской линии (Fauré et al., 1994; Carreel et al., 2002; Boonruangrod et al., 2008), что позволяет с достаточной точностью определить «генеалогию» растения, но эволюционируют такие гены достаточно медленно, в то время как последовательности ядерной ДНК наследуются от обоих родителей, но эволюционируют быстрее хлоропластных и дают более тонкое разрешение на филогенетическом древе. Исследование нескольких маркеров разных участков генома позволяет отследить и случаи возможной гибридизации, в том числе и следов гибридизации у современных диплоидных видов.
Для нашей работы мы использовали последовательности участка trnL-trnF хлоропластно-го генома, включающие ген trnL, его интрон и межгенный спейсер trnL-trnF и район ITS1-ген 5.8S рРНК-П^2 ядерного генома. В последнее время комбинация последовательностей предложена как один из универсальных штрих-кодов для растений (Hollingsworth et al., 2011).
Материалы и методы
Были исследованы образцы Musa basjoo, выращенные в оранжереях Ботанического сада БИН РАН, а также полученные из городского сада г. Киото, Япония. Для более полного отражения филогенетической картины M. basjoo и родственных видов были использованы маркерные последовательности и других видов банана из секции Musa: M. acuminata Colla, M. balbisi-ana Colla, M. itinerans Cheesman, M. schizocarpa N. W. Simmonds, M. tonkinensis R. V. Valmayor, L. D. Danh et Häkkinen, M. yunnanensis Häkkinen et H. Wang, как взятые из коллекций Ботанического сада БИН РАН, так и из международной базы
данных GenBank (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ nuccore/?term = ). Все использованные в работе последовательности П^1-гена 5.8S рРHК-ITS2 и trnL-trnF представлены в таблице. Как внешняя группа в молекулярно-филогенетическом анализе были использованы последовательности Musella lasiocarpa (Franch.) H. W. Li - вида близкого к роду Musa, чье обособленное положение было подтверждено и современными молекулярными данными (Li et al., 2010; Liu et al., 2010; Christelová et al., 2011).
Тотальная геномная ДНК была выделена из листового материала с помощью набора реагентов Qiagen DNeasy Plant Mini Kit по протоколу производителя. Фрагмент ITS1-ген 5.8S рРНК-ITS2 амплифицировался с помощью праймеров ITS 1P (Ridgway et al., 2003) и ITS 4 (White et al., 1990) со следующими параметрами реакции: 1 цикл 95 °C 5 мин, 35 циклов: 95 °C 40 с. 52-56 °C 40 с. 72 °C 40 с, финальная элонгация 72 °C 10 мин. Участок trnL-trnF хлоропластного генома амплифицировался из тотальной геномной ДНК с праймерами tabC и tabF (Taberlet et al., 1991), параметры ПЦР: 1 цикл 95 °C 5 мин, 35 циклов: 95 °C 1 мин, 52-56 °C 1 мин. 10 с, 72 °C 1 мин. 10 с, финальная элонгация 72 °C 10 мин. Район trnL-trnF секвенировался с помощью праймеров (прямой - обратный) tabC - tabD и tabE - tab F (Taberlet et al., 1991). Чтение последовательностей производилось на секвенаторе ABI PRIZM 3100 в Центре коллективного пользования БИН РАН с помощью набора реактивов BigDyeTM Terminator Kit ver. 3.1. Полученные хромато-граммы сиквенсов анализировались программой Chromas Lite ver. 2.01 (Technelysium Co, Ltd). Затем последовательности выравнивались с помощью программы Muscle (Edgar, 2004), входящей в пакет программ MEGA 7.0 (Kumar et al., 2018), и выравнивание проверялось вручную.
Название вида Номер образца в базе данных Генбанк Место происхождения образца
Гга-ген 5.SS рРНК-П^2 trnL-trnF
Musa acuminata Colla MW05420S MW066471 Россия, г. Санкт-Петербург, Ботанический сад Петра Великого
Musa acuminata Colla JF977065.1 - Китай; Li et al., 2011
Musa acuminata Colla KU512933.1 - Индия; Singh, Ranibala, 2016
Таблица
Последовательности района ITSl-ген 5.8S pPHK-ITS2 и участка trnL-trnF видов Musa, использованные в работе
Таблица (продолжение)
Номер образца в базе данных Генбанк Место происхождения образца
Название вида Гга-ген 5.SS рРНК-ГШ trnL-trnF
Musa acuminata Colla cultivar Cooking Banana MGS45593.1 - Индия, Андра Прадеш; Hasan, Khasim, 2018
Musa acuminata subsp. malaccensis KU215205.1 Janssens et al., 2016
(Ridl.) N. W. Simmonds
Musa acuminata subsp. truncata (Ridl.) Kiew - KU21521S.1 Janssens et al., 2016
Musa balbisiana Colla FJ42S102.1 - Китай; Li et al., 2010
Musa balbisiana Colla HQ331340.1 - Hribova et al., 2010
Musa balbisiana Colla HQ331417.1 - Hribova et al., 2010
Musa balbisiana Colla KR632992.1 - Индия; Lamare, Rao, 2015
Musa balbisiana Colla KR632999.1 - Индия; Lamare, Rao, 2015
Musa balbisiana Colla KT696445 - Индонезия: Восточная Ява; Hapsari et al., 2018
Musa balbisiana Colla KT696445.1 - Индонезия: Восточная Ява; Hapsari et al., 2018
Musa balbisiana Colla - KU215202.1 Janssens et al., 2016
Musa balbisiana Colla - KU215196.1 Janssens et al., 2016
Musa balbisiana Colla - FJ6212S0.1 Бангладеш; Liu et al., 2010
Musa balbisiana Colla - FJ621279.1 Китай; Liu et al., 2010
Musa balbisiana Colla GQ374S0S.1 Gayral et al., 2010
Musa basjoo Siebold et Zuccarini ex Iinuma Россия, г. Санкт-
MW054204 MW06646S Петербург, Ботанический
сад Петра Великого
Musa basjoo Siebold et Zuccarini ex Iinuma Россия, г. Санкт-
MW054205 MW066469 Петербург, Ботанический
сад Петра Великого
Musa basjoo Siebold et Zuccarini ex Iinuma MW054206 - Сад г. Киото, Япония
Musa basjoo Siebold et Zuccarini ex Iinuma FJ626374.1 FJ621270.1 Китай; Liu et al., 2010
Musa basjoo Siebold et Zuccarini ex Iinuma FJ42S100.1 FJ42S1SS.2 Китай; Li et al., 2010
Musa basjoo Siebold et Zuccarini ex Iinuma KU215073.1 KU215195.1 Janssens et al., 2016
Musa basjoo Siebold et Zuccarini ex Iinuma MK779031.1 - Ji, 2019
Musa basjoo Siebold et Zuccarini ex Iinuma - GQ374S2S Gayral et al., 2010
Musa itinerans Cheesman FJ42S09S.1 FJ42S177 Китай; Li et al., 2010
Musa itinerans Cheesman FJ6263S0.1 FJ621276.1 Китай; Liu et al., 2010
Musa itinerans Cheesman JF977081.1 - Китай; Li et al., 2011
Musa itinerans Cheesman JF977084.1 - Китай; Li et al., 2011
Musa itinerans Cheesman MN954314.1 Индия; Paul, Deb, 2020
Musa itinerans Cheesman - GQ374S29.1 Gayral et al., 2010
Musa itinerans Cheesman - KT2575SS.1 Таиланд; Somana et al., 2015
Musa itinerans subsp. xishuangbanaensis Häkkinen KU21510S.1 - Китай; Janssens et al., 2016
Musa schizocarpa N. W. Simmonds FJ42S0SS.1 -
Таблица (окончание)
Название вида Номер образца в базе данных Генбанк Место происхождения образца
П^1-ген 5.SS рРНК-П^2 trnL-trnF
Musa schizocarpa N. W. Simmonds MK779015.1 - Китай; Ji, 2019
Musa tonkinensis R. V Valmayor, L. D. Danh et Häkkinen FJ42S099.1 - Китай; Li et а1., 2010
Musa yunnanensis Häkkinen et H. Wang FJ42S095.1 - Китай; Li et а1., 2010
Musa yunnanensis Häkkinen et H. Wang MK779016.1 - Китай; Ji, 2019
Musella lasiocarpa (Franch.) H. W. Li KT25762S.1 KT257602.1 Таиланд; Somana et а1., 2015
Рис. 1. Musa basjoo в Ботаническом саду Батуми, Грузия.
Молекулярно-филогенетический анализ проводился методом Байеса в программе Mr. Bayes 3.2.2. (Ronquist et al., 2012) и методом максимального правдоподобия с помощью программы MEGA X (Kumar et al., 2018). Оптимальные эволюционные модели вычислялись с помощью программы jModelTest 2.1.6 (Darriba et al., 2012) по Akaike Information Criterion (AIC). Участок ITS1-ген 5.8S рРНК-ITS2 анализировался с ис-
пользованием эволюционной модели TIM3+G, фрагмент trnL-trnF - с учетом модели TPM1uf. Районы вставок/делеций в выравнивании были закодированы программой SeqState 1.4.1 (Müller, 2005), опция "Simple gap coding", и затем включены в матрицу данных как бинарные признаки. Анализ методом Байеса проводился за 1-1,5 млн генераций, пока стандартное отклонение разделенных частот (standard deviation of
split frequencies) не становилось меньше, чем 0,01. Первые 25 % деревьев были отброшены как "burn-in". Клады с индексом постериорной вероятности и бутстрэп-индексом 100-90 % мы рассматриваем как хорошо поддержанные, с индексом 89-70 % как умеренно поддержанные и с индексом 69-70 % как слабо поддержанные. На филогенетических деревьях сначала идет индекс постериорной вероятности, затем - бутстрэп-ин-декс.
Результаты и обсуждение
По результатам анализа ITS-последователь-ностей представители Musa basjoo формируют монофилетичную кладу c хорошим уровнем поддержки (PP = 0,99, BS = 95 %, рис. 4). При этом M. basjoo из оранжереи Ботанического сада БИН РАН по ITS-последовательностям при анализе методом Байеса формирует отдельную, пусть и невысоко поддержанную, субкладу с M. tonkinensis (PP = 0,77) и не группируется с морфологически типичным образцом M. basjoo, собранным в Киото (рис. 4). Образцы M. basjoo из БИН РАН хорошо отличаются и по первичной последовательности ^S^rern 5.8S рРНК-П^2 по 9 заменам и 5 полиморфным сайтам (рис. 6).
Рис. 3. Musa basjoo в Ботаническом саду университета г. Тсукуба, Япония.
Рис. 2. Musa basjoo в Ботаническом саду Петра Великого, Санкт-Петербург.
Вероятно, морфологические отличия оранжерейных образцов из Ботанического сада БИН РАН вполне подтверждают генетическую обособленность их от типичных японских М. basjoo.
Не исключено гибридное происхождение сухумских образцов, культивируемых в наших оранжереях, описанных при получении как М. basjoo и М. Шпегат.
79 77
62
1 00/99
99/95
53
7(¡
Musa cf. basjoo Ь1 BIN RAS Musa cf. basjoo b2 BIN RAS Musa tonkinensis FJ428099 Musa basjoo KU215073 — Musa basjoo FJ428100
Musa itinerans subsp. xishuangbanaensis KU215108 — Musa itinerans FJ626380 Musa itinerans JF977081
Musa itinerans JF977084
- Musa itinerans FJ428098
- Musa itinerans MN954314 -Musa basjoo b4 Kyoto
98/99
Musa basjoo MK779031 Musa basjoo FJ626374 100/96,— Musa yunnanensis MK779016 Musa yunnanensis FJ428095
-Musa acuminata b9 BIN RAS
-Musa acuminata KU512933
99
/70
95
Musa acuminata JF977065 Musa schizocarpa MK779015 - Musa schizocarpa FJ428088
100/100
Musa balbisiana KT696445 -Musa acuminata cultivar Cooking Banana MG845593
98 9 /86
100
/99
Musa balbisiana FJ428102 Musa balbisiana KR632992 Musa balbisiana KT696445 Musa balbisiana HQ331417 - Musa balbisiana HQ331340 — Musa balbisiana KR632999
-Musella lasiocarpa KT257628
Рис. 4. Положение различных образцов Musa basjoo на филогенетическом древе, построенном по результатам анализа ядерных последовательностей ITSl-ген 5.8S рРНК-ITS2 методом Байеса.
89
99
70/68
- Musa basjoo s. I. Ь1 BIN RAS - Musa basjoo s. I. b2 BIN RAS
- Musa basjoo GQ374828
- Musa basjoo KU215195
- Musa basjoo FJ428188 — Musa itinerans FJ621276
- Musa itinerans GQ374829 Musa tonkinensis FJ428178
74.63
Musa basjoo FJ621270 — Musa itinerans FJ428177 Musa basjoo KY214486.1
-Musa acuminata subsp. truncata KU215218
99/82
55
99
/64
99/71
Musa yunnanensis KT257599 — Musa yunnanensis KT257598
Musa acuminata subsp. malaccensis KU215205 - Musa acuminata b9 BIN RAS -Musa itinerans KT257588
— Musa schizocarpa KU215210 100/96 I—Musa schizocarpa KU215204 I— Musa balbisiana KU215202 — Musa balbisiana KU215196 Musa balbisiana FJG21280 — Musa balbisiana FJG21279
I— Musa balbisiana GQ374808 -Musella lasiocarpa KT257602
Рис. 5. Положение различных образцов Musa basjoo на филогенетическом древе, построенном по результатам анализа хлоропластных последовательностей tmL-tmF методом Байеса
Результаты анализа последовательностей trnL-trnF дают несколько иную картину (рис. 5). Большая часть образцов M. basjoo по материнской линии формирует единую кладу с M. itinerans и M. tonkinensis, хотя индекс постериорной вероятности закономерно ниже (PP = 0,70, BS = 68 %). Однако образецM. basjoo из Ботанического сада Калифорнийского университета в Беркли по хлоропластным последовательностям вместе с M. acuminata попадает в другую кладу, которая занимает сестринское положение по отношению к M. basjoo + M. itinerans (PP = 0,99, BS = 82 %, рис. 5). Также вместе с M. acuminata группируются и сиквенсы trnL-trnF образца M. itinerans из Таиланда. Возможно, здесь мы имеем дело с
картиной гибридизации, когда разные образцы растений, морфологически определяемых как M. basjoo, происходили от скрещивания разных родительских таксонов, один из которых принадлежал группе родства M. acuminata. Подобный случай, когда у аллополиплоидов амплфициру-ются совершенно разные варианты родительских маркерных последовательностей, показаны на недавних гибридах Tragopogon L. из семейства Asteraceae (Kovarik et al., 2005) и видах рода Hyalopoa (Tzvelev) Tzvelev, семейство Poaceae (Rodionov et al., 2010, 2017; Nosov et al., 2015).
Два образца M. basjoo из Китая, чьи последовательности взяты из международной базы данных GenBank, по ITS-сиквенсам совершенно
не родственны остальным и образуют собственную небольшую субкладу, сестринскую к кладе M. basjoo+M. itinerans+M. tonkinensis (PP = 0,98, BS = 99 %, рис. 4). Вероятно, мы видим здесь генетические различия у образцов из разных географических точек: китайские образцы
М. basjoo (один из них собран в Сычуане) могли эволюционно разойтись с японскими образцами, а кроме того, возможна амплификация из геномного пула гибридогенного вида разных последовательностей от предковых таксонов (см. Коуайк й а1., 2005).
11111122234444444444444444444455555
3344456677901567825710000000001111233457856899 6906856858723428231151234567890123602227733912 Musa basjoo Ы BIN Ras TCTYCYTGGCCCGGGCGGCCC----CCCCC---GCCCTTCGG-TTG Musa basjoo Ь2 BIN Ras ...G.................----.....---........a - . . .
Musa basjoo b4 Kioto Musa basjoo KU215073 Musa basjoo MK77S031 Musa basjoo FJ626374 Musa basjoo FJ428100 Musa itinerans FJ428 098 . . . C . C Musa itinerans JFS77084 . . . C . C
.T.TGT. .T. . G . а Й . . a . A T - - - С
...G. G...............----
fi.-C.CCfi.AT.a........-CGC
a.-c.cca.ai.a........-ccc
...G. G............T . . - - - -
.............-CCC
.............- - С С
. Y Y . . a - Y .
. . С . . - - - -
a с a с
.тсс. .тсс.
---.т. . с с . a a -
t с - . . . .с. . .ag
t с g . . . .cc. . a -
Musa itinerans JFS77 081 . . .C.C.........Y.....CCCC.....Y С G . . T . С С a . a - . . .
Musa itinerans FJ626380 ...C.C .......... T....----a....TC-....CC..a-.-.
Musa itinerans MNS54314 . . .C.C...............-------------. . .C. . .a-, . .
Musa itinerans ...C.C ............... - - С С ..... TCG....CC..a-...
subsp. xishuangbanaensis KU215108
Рис. 6. Вариабильные нуклеотидные сайты в последовательности ITSl-гена 5.8S pPHK-ITS2 группы родства Musa basjoo-Musa itinerans. Вверху указаны номера вариабильных сайтов в последовательности.
Для нас весьма интересно то, что с большей частью изученных образцов M. basjoo монофи-летичны Musa itinerans и M. tonkinensis (рис. 4, 5). M. itinerans широко распространен в Юго-Восточной Азии, от Китая до Мьянмы, и характеризуются значительной морфологической вариабельностью, разделяясь на несколько разновидностей (Häkkinen et al., 2008, 2010). Листочки околоцветника M. itinerans напоминают M. basjoo своей окраской: желтоватым оттенком. Напротив, одно из основных отличий M. itinerans от M. basjoo - это длинные ползучие корневища, от которых M. itinerans и получил свое название, «путешествующий». Тем не менее, недавно описанные разновидности не имеют ползучие корневища, в этом отношении напоминая другие виды Musa, в том числе и M. basjoo (Häkkinen et al., 2008). M. tonkinensis - эндемик Северного Вьетнама из секции Musa (Valmayor et al., 2005). Вероятнее всего, мы можем здесь говорить о группе родства Musa basjoo, воспроизводящей единый геном японо-китайской группы бананов.
Более того, до сих пор существует ряд разночтений о родстве некоторых небольших таксонов из группы M. basjoo-M. itinerans: так, Musa formosana (Warb. ex Schum.) Hayata считался разновидностью M. basjoo (например, Ying, 1985; Chen et al., 2017), но некоторые морфологические и молекулярно-филогенетические исследования доказывают большее родство тайваньского банана M. formosana с M. itinerans (Kao, Lai, 1978; Wu, Kress, 2000; Liu et al., 2010; Chiu et al., 2011). Одним из отличий M. formosana от M. basjoo является черепитчатость брактей в их основании у M. formosana, в то время как у M. basjoo брактеи черепитчатые на кончике (Chiu et al., 2011). Вполне возможно, что эту хорошо выделяемую по молекулярно-филогенетическим данным группу восточноазиатских несъедобных бананов следует объединить и в подсекцию секции Musa.
Группа родства японо-китайских бананов, наиболее характерным представителем которой как раз и является Musa basjoo, в целом всегда
считалась довольно эволюционно обособленной. Так, например, Н. Симмондс в своей знаменитой монографии "The evolution of bananas" (Sim-monds, 1962) рассматривает группу M. basjoo-M. itinerans в составе секции Eumusa Chees-man (теперь это секция Musa) как отделенную от остальной части данной группы видами секции Rhodochlamys (Baker) Cheesman, которую он считал дериватом группы родства M. acuminata (секция Eumusa = Musa). Другой известнейший исследователь рода - Э. Чизман (1948) - считал M. basjoo родственным M. acuminata по характеру раскрывания брактей (прицветных листьев), но по остальным признакам достаточно далеким от всех остальных бананов. Данные нумериче-ской таксономии (Simmonds, Weatherup, 1990) свидетельствуют о его близости к M. sikkimensis Kurz + M. itinerans по результатам кластерного анализа, а метод главных компонент дополнительно указывает на его родство с M. acuminata subsp. siamea N.W.Simmonds иM. flaviflora N. W. Simmonds (последний ранее считался близким к предкам секции Rhodochlamys - Simmonds, 1962). Действительно, по молекулярно-фило-генетическим данным, M. acuminata (носитель A-генома съедобных бананов - Simmonds, 1962; D'Hont et al., 2000; Raboin et al., 2005) формирует кладу, сестринскую к группе родства M. bas-joo в составе секции Musa (рис. 1, 2), причем по материнской линии он мог участвовать в происхождении некоторых образцов M. basjoo s. l. и M. itinerans s. l. (рис. 5). Отметим также, что по результатам анализа полиморфизма SSR-маркеров M. basjoo оказывается монофилетичен с M. schizocarpa (Feng et al., 2016), но наши данные также указывают лишь на довольно дальнее родство в составе одной секции Musa: M. shizo-carpa по ITS-последовательностям попадает в одну кладу с M. acuminata (см. также Li et al., 2010). Вероятно, M. schizocarpa имеет родственный M. acuminata геном A (см. также Li et al., 2010), в то время как M. basjoo несет разные варианты геномов, общие с M. itinerans.
Наши данные молекулярно-филогенетиче-ского анализа ядерных последовательностей ITSi-гена 5.8S рРНК-П^2 указывают на геномное единство группы японо-китайских бананов M. basjoo + M. itinerans + M. tonkinensis в составе секции Musa. При этом сама эта группа по всей видимости является сложной и гибридогенной, потому что анализ хлоропластных сиквенсов
trnL-trnF дает разделение изученных образцов M. basjoo на две обособленные группы с разным родством. Вероятнее всего, исследованные образцы M. basjoo из оранжерей Ботанического сада Петра Великого, происходящие из Сухума, также могут быть гибридами, сформировавшимися с участием геномов, родственных M. itinerans и M. tonkinensis, а типичный японский M. basjoo s. str. мог быть вторым родителем или более дальним родственником, ITS-последовательности которого не амплифицировались при прямой ПЦР из общего геномного пула. Наши данные, таким образом, говорят о том, что группа родства Musa basjoo-Musa itinerans-Musa tonkinensis представляет собой интрогрессивно-межвидо-вой комплекс (Kamelin, 2009), в который входят виды, объединенные сложными гибридными взаимоотношениями и «не осложненные сколько-нибудь выраженной изоляцией от родительских форм (поскольку эти виды - обычно части именно обширных сингамеонов)» (Kamelin, 2009: с. 148). Из-за близкого родства и высокой степени интрогрессии группы японо-китайских бананов M. basjoo + M. itinerans могут потребоваться дополнительные молекулярно-филогенетические исследования с целью более тонкого разделения этой группы. Возможно также, что дальнейшие исследования бананов из других групп родства, например, M. acuminata (sect. Musa), покажут участие и других, более отдаленных гибридизаций в видообразовании японо-китайских бананов M. basjoo s. l.
Благодарности
Авторы выражают искреннюю благодарность Э. А. Лебедеву и всем сотрудникам Ботанического сада БИН РАН за отличное состояние коллекций, а также всем сотрудникам Ботанических садов Киото и Тсукубы (Япония) за предоставленные образцы.
Работа выполнена в рамках Государственного задания отдела Ботанический сад Петра Великого «Коллекции живых растений Ботанического института им. В. Л. Комарова РАН» (история, современное состояние, перспективы развития и использования) № АААА-А18-118032890141 - 4, Государственного задания Алтайского государственного университета по проекту № FZMW-2020-003, а также при поддержке гранта РФФИ 18-18-04-01040, и, частично, гранта СПбГУ ID 60256916.
REFERENCES / ЛИТЕРАТУРА
BoonruangrodR., Fluch S., BurgK. 2009. Elucidation of origin of the present day hybrid banana cultivars using the 5'ETS rDNA sequence information. Mol. Breeding 24: 77-91. DOI: 10.1007/s11032-009-9273-z
Carreel F., Fauré S., González de L. D., Lagoda P. J. L., Perrier X., Bakry F., Du-Montcel H. T., Lanaud C., Horry J. P. 1994. Evaluation of the genetic diversity in diploid bananas (Musa sp.). Genet. Sel. Evol. 26 (Suppl 1): 125-136.
Cheesman E. E. 1947. Classification of the bananas II. Kew. Bull. 2(2): 106-117. DOI: 10.2307/4109207 Cheesman E. E. 1948. Classification of the bananas III. Kew. Bull. 3(3): 323-328. DOI: 10.2307/4108835 Chen J.-H., Huang C.-L., Lai Y.-L., Chang C.-T., Liao P.-C., Hwang S.-Y., Sun C.-W. 2017. Postglacial range expansion and the role of ecological factors in driving adaptive evolution of Musa basjoo var. formosana. Scientific Reports 7: 5341. DOI: 10.1038/s41598-017-05256-6
Chiu H.-L., Shii Ch.-T., Yang T. Y. A. 2011. A New Variety of Musa itinerans (Musaceae) in Taiwan. Novon 21: 405-412. DOI: 10.3417/2009051
Christelová P., Valárik M., Hribová E., Langhe E. De, Dolezel J. 2011. A multi gene sequence-based phylogeny of the Musaceae (banana) family. BMC Evolutionary Biology 11: 103. DOI: 10.1186/1471-2148-11-103
Darriba D., Taboada G. L., Doallo R., Posada D. 2012. jModelTest 2: more models, new heuristics and parallel computing. Nature Methods 9(8): 772. DOI: 10.1038/nmeth.2109
D'Hont A., Paget-Goy A., Escoute J., Carreel F. 2000. The interspecific genome structure of cultivated banana, Musa spp. revealed by genomic DNA in situ hybridization. Theor. Appl. Genet. 100: 177-183. DOI: 10.1007/ s001220050024
Edgar R. C. 2004. MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput. Nucleic Acids Research 32: 1792-1797. DOI: 10.1093/nar/gkh340
Fauré S., Noyer J. L., Carreel F., Horry J. P., Bakry F., Lanaud C. 1994. Maternal inheritance of chloroplast genome and paternal inheritance of mitochondrial genome in bananas (Musa acuminata). Current Geneics 25: 265-269. DOI: 10.1007/BF00357172
Feng H., Chen Y., Li B., Wu Y. 2016. Molecular phylogeny of genus Musa determined by simple sequence repeat markers. Plant Genetic Resources: Characterization and Utilization 14(3): 192-199. DOI: 10.1017/ S1479262115000222.
Häkkinen M., Hong W., GeX.-J. 2008. Musa itinerans (Musaceae) and Its Intraspecific taxa in China. Novon 18: 50-60. DOI: 10.3417/2006162
Häkkinen M., Yeh C.-L., Ge X.-J. 2010. A New combination and a New variety of Musa itinerans (Musaceae). Acta Phytotax. Geobot. 61(1): 41-48. DOI: 10.18942/apg.KJ00006537153
Hollingsworth P. M., Graham S. W., LittleD. P. 2011. Choosing and using a plant DNA barcode. PLoS ONE6(5): e19254. DOI: 10.1371/journal.pone.0019254
Kao M. T., Lai M. J. 1978. Musaceae. In: Flora of Taiwan. Vol. 5. Ed. H. L. Li. Taibai: The National Science Council of the Republic of China. Pp. 828-829.
Kamelin R. V. 2009. The peculiarities of flowering plants speciation. In: Trudy Zoologicheskogo instituta RAN. Prilozhenie№ 1. Pp. 141-149. [In Russian]. (КамелинР. В. Особенности видообразования у цветковых растений // Труды Зоологического института РАН. Приложение № 1, 2009. С. 141-149).
Kovarik A., Pires J. C., Leitch A. R., Lim K. Y., Sherwood A. M., Matyasek R., Rocca J., Soltis D. E., Soltis P. S. 2005. Rapid concerted evolution of nuclear ribosomal DNA in two Tragopogon allopolyploids of recent and recurrent origin. Genetics 169(2): 931-944. DOI: 10.1534/genetics.104.032839
Kumar S., Stecher G., Li M., Knyaz C., Tamura K. 2018. MEGA X: Molecular Evolutionary Genetics Analysis across computing platforms. Molecular Biology and Evolution 35: 1547-1549. DOI: 10.1093/molbev/msy096
Li L.-F, Häkkinen M., Yuan Y.-M., Hao G., Ge X.-J. 2010. Molecular phylogeny and systematics of the banana family (Musaceae) inferred from multiple nuclear and chloroplast DNA fragments, with a special reference to the genus Musa. Molecular Phylogenetics and Evolution 57: 1-10. DOI: 10.1016/j.ympev.2010.06.021
Liu A.-Z., Kress W. J., Li D.-Z. 2010. Phylogenetic analyses of the banana family (Musaceae) based on nuclear ribosomal (ITS) and chloroplast (trnL-F) evidence. Taxon 59(1): 20-28. DOI:10.1002/TAX.591003
Müller K. 2005. SeqState - primer design and sequence statistics for phylogenetic DNA data sets. Applied Bioin-formatics 4: 65-69. DOI: 10.2165/00822942-200504010-00008
Nosov N. N., Punina E. O., Machs E. M., Rodionov A. V. 2015. Interspecial hybridization in plant species origin by the example of genus Poa sensu lato. Proceedings of modern biology 135, 1: 21-39. [In Russian] (Носов Н. Н., Пунина Е. О., Мачс Э. М., Родионов А. В. Межвидовая гибридизация в происхождении видов растений на примере рода Poa sensu lato // Успехи современной биологии, 2015. Т. 135, № 1. С. 21-39). DOI: 10.1134/ S2079086415040088
Raboin L.-M., Carreel F., Noyer J.-L., Baurens F.-C., Horry J.-P., Bakry F., Du Montcel H. T., Ganry J., Lanaud C., Lagoda P. J. L. 2005. Diploid ancestors of Triploid Export Banana tebcultivars: Molecular identification
of 2n Restitution Gamete rgdonors and n Gamete gdonors. Molecular Breeding 16: 333-341. DOI: 10.1007/s11032-005-2452-7
Ridgway K. P., Duck J. M., Young J. P. W. 2003. Identification of roots from grass swards using PCR-RFLP and FFLPof the plastid trnL (UAA) intron. BMCEcol. 3: 8. DOI: 10.1186/1472-6785-3-8
Rodionov A. V., Gnutikov A. A., Kotsinyan A. R., Kotseruba V. V., Nosov N. N., Punina E. O., Rayko M. P., Tyupa N. B., Kim E. S. 2017. ITS1-5.8S rDNA-ITS2 sequence in 35S rRNA genes as marker for reconstruction of phylogeny of grasses (Poaceae family). Biol. Bull. Rev. 7: 85-102. DOI: 10.1134/S2079086417020062
Rodionov A. V., Nosov N. N., Kim E. S., Machs E. M., Punina E. O., Probatova N. S. 2010. The origin of polyploid genomes of Bluegrasses Poa L. and gene flow between Northern Pacific and subantarctic islands. Rus. J. Gen. 46, 12: 1-11. [In Russian] (Родионов А. В., Носов Н. Н., Ким Е. С., Мачс Э. М., Пунина Е. О., Пробатова Н. С. Происхождение полиплоидных геномов мятликов (Poa L.) и феномен потока генов между Северной Пацифи-кой и субантарктическими островами // Генетика, 2010. Т. 46, №» 12. С. 1-11). DOI: 10.1134/S1022795410120021 Ronquist F., Teslenko M., van der Mark P., Ayre D. L., Darling A., Hohna S., Larget B., Liu L., Suchard M. A., Huelsenbeck J. P. 2012. MrBayes 3.2: Efficient Bayesian Phylogenetic Inference and Model Choice Across a Large Model Space. Systematic Biology 61(3): 539-42. DOI: 10.1093/sysbio/sys029
Shepherd K. 1988. Observation on Musa taxonomy. In: Identification of Genetic Diversity in the Genus Musa. Proc. Int. Workshop held at Los Banos, Philippines 5-10 September 1988. Montpellier, France: INIBAP. Pp. 158-165.
Shepherd K. 1999. Cytogenetics of the Genus Musa. International network for the improvement of banana and plantain. Montpellier, France. 160 pp.
SieboldD. 1830. Synopsis Plantarum Oeconomicarum Regni Japonici. Verh. Batav. Genootsch. Kunst. 12: 18. Simmonds N. W. 1962. The evolution of bananas. London: Longmans. 170 pp.
Swangpol S., Volkaert H. A., Sotto R. C., Seelanan T. 2007. Utility of selected non-coding chloroplast DNA sequences for lineage assessment of Musa interspecific hybrids. J. Biochem. Molec. Biol. 40: 577-587. DOI: 10.5483/ bmbrep.2007.40.4.577.
Taberlet P., Gielly L., Pautou G., Bouve J. 1991. Universal primers for amplification of three 430 non-coding regions 431 of chloroplast DNA. Plant Molecular Biology 17: 1105-1109. DOI: 10.1007/BF00037152
Valmayor R. V., Danh L. D., Hakkinen M. 2005. The wild and ornamental Musaceae of Vietnam with descriptions of two new traveling bananas. Philippine Agricultural Scientist 88: 236-244.
White T. J., Bruns T., Lee S., Taylor J. 1990. Amplification and direct sequencing of fungal ribosomal RNA genes for phylogenetics. In: PCR Protocols: a Guide to Methods and Applications. Eds. M. A. Innis, D. H. Gelfand, J. J. Sninsky, T. J. White. San Diego: Academic Press. Pp. 315-322. DOI: 10.1016/b978-0-12-372180-8.50042-1
Wu D.-L., Kress W. J. 2000. Musaceae. In: Flora of China. Vol. 24. Beijing: Science Press. Pp. 297-313. URL: http://www.efloras.org/florataxon.aspx?flora_id = 2ettaxon_id = 10588
Ying S. S. 1985. Miscellaneous notes on the Flora of Taiwan (I). Mem. Coll. Agric. Natl. Taiwan Univ. 25: 98-106.
