References

vavilov

Вавиловский журнал генетики и селекции

Vavilov Journal of Genetics and Breeding

2500-3259

Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS

10.18699/VJ18.391

vavilov-1586

Research Article

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ И БИОКОЛЛЕКЦИИ

PLANT GENETICS

Генетический полиморфизм тополей Московского региона на основе высокопроизводительного секвенирования ITS-последовательностей

Genetics polymorphism of poplars from Moscow region based on high-throughput sequencing of ITS

Борхерт

Е. В.

Borkhert

E. V.

Краснов

Г. C.

Krasnov

G. S.

Большева

Н. Л.

Bolsheva

N. L.

Кезимана

П.

Kezimana

Р.

Юркевич

O. Ю.

Yurkevich

O. Yu.

Муравенко

О. В.

Muravenko

O. V.

Кудрявцева

А. В.

Kudryavtseva

A. V.

Мельникова

Н. В.

Melnikova

N. V.

mnv-4529264@yandex.ru

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наукРоссияEngelhardt Institute of Molecular Biology RASRussian Federation

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук; Российский университет дружбы народовРоссияEngelhardt Institute of Molecular Biology RAS: Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)Russian Federation

2018

08082018

225531535

2018

Борхерт Е.В., Краснов Г.C., Большева Н.Л., Кезимана П., Юркевич O.Ю., Муравенко О.В., Кудрявцева А.В., Мельникова Н.В.

Borkhert E.V., Krasnov G.S., Bolsheva N.L., Kezimana Р., Yurkevich O.Y., Muravenko O.V., Kudryavtseva A.V., Melnikova N.V.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/1586

Тополь широко используется в озеленении Москвы благодаря способности эффективно очищать воздух от вредных примесей и выделять большое количество кислорода. Роду Тополь (Populus) свойствен высокий уровень внутривидового полиморфизма, а также наличие естественных межвидовых гибридов. Целью настоящей работы была оценка генетического разнообразия тополей, растущих на территории города Москвы, с использованием высокопроизводительного секвенирования внутренних транскрибируемых спейсеров генов 45S рРНК (ITS-последовательностей). На платформе Illumina (MiSeq) проведено секвенирование ITSпоследовательностей 40 растений тополя и в среднем получено около 3 000 прочтений для каждого образца. Биоинформатическая обработка данных проведена с использованием программы CLC Genomics Workbench. Исследованная выборка тополей имела высокий уровень генетического разнообразия: число выявленных в каждом генотипе однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) относительно референсных последовательностей ITS1 и ITS2 P. trichocarpa варьировало от 4 до 44. Показано, что даже деревья, посаженные на одной территории и, вероятно, в одно время, значительно различаются генетически. Можно предположить, что при посадке тополей в Москве использовался крайне полиморфный растительный материал. Для некоторых сайтов c SNP у одного и того же индивидуума выявлено несколько вариантов нуклеотидов, соотношение которых было различным. Мы предполагаем, что соотношение, близкое к 50/50, наблюдается в межвидовых гибридах и является следствием генетических различий в ITS-последовательностях между материнским и отцовским генотипами. Для SNP с преобладанием одного из вариантов вероятнее наличие паралогов среди многочисленных геномных копий ITS-последовательностей. Результаты работы закладывают основу для применения молекулярно-генетических маркеров с целью идентификации видов и межвидовых гибридов тополя, определения происхождения ряда естественных гибридов, а также мониторинга разнообразия представителей рода Populus, растущих на территории города Москвы.

Poplars are widely used in landscaping of Moscow due to the ability to effectively purify the air from harmful impurities and to release a large amount of oxygen. The genus Populus is characterized by a high level of intraspecies polymorphism, as well as the presence of natural interspecies hybrids. The aim of our work was to evaluate the genetic diversity of poplars, which are growing on the territory of Moscow city by high-throughput sequencing of internal transcribed spacers of 45S rRNA genes (ITS sequences). Sequencing of ITS of 40 poplar plants was performed on Illumina platform (MiSeq) and about 3 000 reads were obtained for each sample in average. Bioinformatics analysis was performed using CLC Genomics Workbench tool. The involved set of poplars had a high level of genetic diversity – the number of single nucleotide polymorphisms (SNPs) detected in each genotype relative to the reference ITS1 and ITS2 sequences of P. trichocarpa varying from 4 to 44. We showed that even trees which had been planted on the same territory and, probably, at the same time had significant genetic differences. It can be speculated that highly polymorphic plant material was used for planting poplars in Moscow. For some sites with SNPs, several variants of nucleotides were found in the same individual and the ratio of SNPs was different. We assume that close to 50/50 ratio is observed in interspecific hybrids due to genetic differences in the ITS sequences between maternal and paternal genotypes. For SNPs with a predominance of one of the variants, the presence of paralogues among numerous genomic copies of ITS sequences is more likely. The results of our work can provide a framework for molecular genetic markers application with the purpose of Populus species and interspecific hybrids identification, determination the origin of a number of natural hybrids, and monitoring the diversity of genus Populus in the Moscow city.

PopulusтопольМосквавысокопроизво¬дительное секвенированиеITSполиморфизмгенетическое разнообразие

PopuluspoplarMoscowhigh-throughput sequencingITSpolymorphismgenetic diversity

References1

Bolsheva N.L., Zelenin A.V., Nosova I.V., Amosova A.V., Samatadze T.E., Yurkevich O.Y., Melnikova N.V., Zelenina D.A., Volkov A.A., Muravenko O.V. The diversity of karyotypes and genomes within section Syllinum of the genus Linum (Linaceae) revealed by molecular cytogenetic markers and RAPD analysis. PLoS One. 2015;10(4):e0122015. DOI 10.1371/journal.pone.0122015.

Borkhert E.V., Dmitriev A.A., Krasnov G.S., Bolsheva N.L., Kudryavtseva A.V., Melnikova N.V. Sex associated single nucleotide polymorphisms in the poplar genome. Acta Naturae. 2017;Spec. Iss.1(9):61. (in Russian)

Eckenwalder J.E. Systematics and evolution of Populus. In: Stettler R.F., Bradshaw H.D., Heilman P.E., Hinckler T.M. (Eds.). Biology of Populus and its Implications for Management and Conserva-tion. Ottawa: Can. Government Publ., 1996;7-32.

Feng J., Jiang D., Shang H., Dong M., Wang G., He X., Zhao C., Mao K. Barcoding poplars (Populus L.) from western China. PLoS One. 2013;8(8):e71710. DOI 10.1371/journal.pone.0071710.

Geraldes A., Hefer C.A., Capron A., Kolosova N., Martinez-Nunez F., Soolanayakanahally R.Y., Stanton B., Guy R.D., Mansfield S.D., Douglas C.J., Cronk Q.C. Recent Y chromosome divergence de-spite ancient origin of dioecy in poplars (Populus). Mol. Ecol. 2015; 24(13):3243-3256. DOI 10.1111/mec.13126.

Hamzeh M., Dayanandan S. Phylogeny of Populus (Salicaceae) based on nucleotide sequences of chloroplast trnT-trnF region and nuclear rDNA. Am. J. Bot. 2004;91(9):1398-1408. DOI 10.3732/ajb.91.9.1398.

Hollingsworth P.M., Graham S.W., Little D.P. Choosing and using a plant DNA barcode. PLoS One. 2011;6(5):e19254. DOI 10.1371/journal.pone.0019254.

Hsiao C., Chatterton N.J., Asay K.H., Jensen K.B. Phylogenetic relationships of the monogenomic species of the wheat tribe, Triticeae (Poaceae), inferred from nuclear rDNA (internal transcribed spacer) sequences. Genome. 1995;38(2):211-223.

Jansson S., Bhalerao R.P., Groover A.T. Genetics and Genomics of Populus. New York: Springer-Verlag, 2010. DOI 10.1007/978-14419-1541-2.

Jansson S., Douglas C.J. Populus: a model system for plant biology. Annu. Rev. Plant Biol. 2007;58:435-458. DOI 10.1146/annurev.arplant.58.032806.103956.

Jiang D., Feng J., Dong M., Wu G., Mao K., Liu J. Genetic origin and composition of a natural hybrid poplar Populus × jrtyschensis from two distantly related species. BMC Plant Biol. 2016;16:89. DOI 10.1186/s12870-016-0776-6.

Khadeeva N.V., Goryunova S.V., Kochumova A.A., Yakovleva Y.Y., Mel’nikova N.V., Zholobova O.O., Korotkov O.I., Kudryavtsev A.M. Genetic monitoring of populations of Matthiola fragrans (Bunge) using RAPD and AFLP analysis. Biol. Bull. 2011;38(4): 325-331. DOI 10.1134/S1062359011040078.

Kostina M.V., Nasimovich J.A. On the taxonomy of Populus L. II. The importance of fruit characters for identification of cultivated and adventive species in the Moscow region. Byulleten’ Moskovskogo Obshchestva Ispytateley Prirody = Bulletin of the Moscow Society of Naturalists. Biol. Ser. 2014; 119(5):74-79. (in Russian)

Kostina M.V., Puzyryov A.N., Nasimovich J.A., Parshevnikova M.S. Representatives of the sections Aigeiros Duby and Tacamahaca Spach (genus Populus L., Salicaceae) and their hybrids in cities of central and eastern European Russia. Skvortsovia. 2017;3(3): 97-119.

Li D.Z., Gao L.M., Li H.T., Wang H., Ge X.J., Liu J.Q., Chen Z.D., Zhou S.L., Chen S.L., Yang J.B., Fu C.X., Zeng C.X., Yan H.F., Zhu Y.J., Sun Y.S., Chen S.Y., Zhao L., Wang K., Yang T., Duan G.W. Comparative analysis of a large dataset indicates that internal tran¬scribed spacer (ITS) should be incorporated into the core barcode for seed plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011;108(49):1964119646. DOI 10.1073/pnas.1104551108.

Li D.Z., Gao L.M., Li H.T., Wang H., Ge X.J., Liu J.Q., Chen Z.D., Zhou S.L., Chen S.L., Yang J.B., Fu C.X., Zeng C.X., Yan H.F., Zhu Y.J., Sun Y.S., Chen S.Y., Zhao L., Wang K., Yang T., Duan G.W. Comparative analysis of a large dataset indicates that internal transcribed spacer (ITS) should be incorporated into the core barcode for seed plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011;108(49):1964119646. DOI 10.1073/pnas.1104551108.

McKown A.D., Klapste J., Guy R.D., Soolanayakanahally R.Y., La Mantia J., Porth I., Skyba O., Unda F., Douglas C.J., El-Kassaby Y.A., Hamelin R.C., Mansfield S.D., Cronk Q.C.B. Sexual ho¬momorphism in dioecious trees: extensive tests fail to detect sexual dimorphism in Populus. Sci. Rep. 2017;7(1):1831. DOI 10.1038/s41598-017-01893-z.

McKown A.D., Klapste J., Guy R.D., Soolanayakanahally R.Y., La Mantia J., Porth I., Skyba O., Unda F., Douglas C.J., El-Kassa¬by Y.A., Hamelin R.C., Mansfield S.D., Cronk Q.C.B. Sexual homomorphism in dioecious trees: extensive tests fail to detect sexual dimorphism in Populus. Sci. Rep. 2017;7(1):1831. DOI 10.1038/s41598-017-01893-z.

Melnikova N.V., Borhert E.V., Martynov S.P., Okuneva I.B., Molkanova O.I., Upelniek V.P., Kudryavtsev A.M. Molecular genetic marker-based approaches to the verification of lilac Syringa vulgaris L. in vitro germplasm collections. Russ. J. Genet. 2009;45(1):85-90. DOI 10.1134/S1022795409010128.

Melnikova N.V., Borkhert E.V., Snezhkina A.V., Kudryavtseva A.V., Dmitriev A.A. Sex-specific response to stress in Populus. Front. Plant Sci. 2017;8:1827. DOI 10.3389/fpls.2017.01827.

Melnikova N.V., Konovalov F.A., Kudryavtsev A.M. Long terminal repeat retrotransposon Jeli provides multiple genetic markers for common wheat (Triticum aestivum). Plant Genet. Resour. 2011;9(2):163165. DOI 10.1017/S1479262111000487.

Melnikova N.V., Kudryavtseva A.V., Zelenin A.V., Lakunina V.A., Yurkevich O.Y., Speranskaya A.S., Dmitriev A.A., Krinitsina A.A., Belenikin M.S., Uroshlev L.A., Snezhkina A.V., Sadritdinova A.F., Koroban N.V., Amosova A.V., Samatadze T.E., Guzenko E.V., Le-mesh V.A., Savilova A.M., Rachinskaia O.A., Kishlyan N.V., Rozhmina T.A., Bolsheva N.L., Muravenko O.V. Retrotransposon-based molecular markers for analysis of genetic diversity within the genus Linum. BioMed Res. Int. 2014;2014:231589. DOI 10.1155/2014/231589.

Melnikova N.V., Kudryavtseva A.V., Zelenin A.V., Lakunina V.A., Yurkevich O.Y., Speranskaya A.S., Dmitriev A.A., Krinitsina A.A., Belenikin M.S., Uroshlev L.A., Snezhkina A.V., Sadritdinova A.F., Koroban N.V., Amosova A.V., Samatadze T.E., Guzenko E.V., Le-mesh V.A., Savilova A.M., Rachinskaia O.A., Kishlyan N.V., Rozh¬mina T.A., Bolsheva N.L., Muravenko O.V. Retrotransposon-based molecular markers for analysis of genetic diversity within the genus Linum. BioMed Res. Int. 2014;2014:231589. DOI 10.1155/2014/231589.

Melnikova N.V., Mitrofanova O.P., Liapounova O.A., Kudryavtsev A.M. Global diversity of durum wheat Triticum durum Desf. for alleles of gliadin-coding loci. Russ. J. Genet. 2010;46(1):43-49. DOI 10.1134/S1022795410010072.

Poczai P., Hyvonen J. Nuclear ribosomal spacer regions in plant phylogenetics: problems and prospects. Mol. Biol. Rep. 2010;37(4):18971912. DOI 10.1007/s11033-009-9630-3.

Rae A.M., Street N.R., Rodríguez-Acosta M. Populus Trees. In: Kole C. (Ed.). Genome Mapping and Molecular Breeding in Plants. Vol. 7. Forest Trees. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2007;1-28. DOI 10.1007/978-3-540-34541-11.

Roe A.D., MacQuarrie C.J., Gros-Louis M.C., Simpson J.D., Lamarche J., Beardmore T., Thompson S.L., Tanguay P., Isabel N. Fitness dynamics within a poplar hybrid zone. II. Impact of exotic sex on native poplars in an urban jungle. Ecol. Evol. 2014;4(10):18761889. DOI 10.1002/ece3.1028.

Roe A.D., MacQuarrie C.J., Gros-Louis M.C., Simpson J.D., Lamarche J., Beardmore T., Thompson S.L., Tanguay P., Isabel N. Fit¬ness dynamics within a poplar hybrid zone. II. Impact of exotic sex on native poplars in an urban jungle. Ecol. Evol. 2014;4(10):18761889. DOI 10.1002/ece3.1028.

Tuskan G.A., Difazio S., Jansson S., Bohlmann J., Grigoriev I., Hellsten U., Putnam N., Ralph S., Rombauts S., Salamov A., Schein J., Sterck L., Aerts A., Bhalerao R.R., Bhalerao R.P., Blaudez D., Boer¬jan W., Brun A., Brunner A., Busov V., Campbell M., Carlson J., Chalot M., Chapman J., Chen G.L., Cooper D., Coutinho P.M., Couturier J., Covert S., Cronk Q., Cunningham R., Davis J., Degroeve S., Dejardin A., Depamphilis C., Detter J., Dirks B., Dubchak I., Duplessis S., Ehlting J., Ellis B., Gendler K., Goodstein D., Gribskov M., Grimwood J., Groover A., Gunter L., Hamberger B., Heinze B., Helariutta Y., Henrissat B., Holligan D., Holt R., Huang W., IslamFaridi N., Jones S., Jones-Rhoades M., Jorgensen R., Joshi C., Kangasjarvi J., Karlsson J., Kelleher C., Kirkpatrick R., Kirst M., Kohler A., Kalluri U., Larimer F., Leebens-Mack J., Leple J.C., Locascio P., Lou Y., Lucas S., Martin F., Montanini B., Napoli C., Nel¬son D.R., Nelson C., Nieminen K., Nilsson O., Pereda V., Peter G., Philippe R., Pilate G., Poliakov A., Razumovskaya J., Richardson P., Rinaldi C., Ritland K., Rouze P., Ryaboy D., Schmutz J., Schrader J., Segerman B., Shin H., Siddiqui A., Sterky F., Terry A., Tsai C.J., Uberbacher E., Unneberg P., Vahala J., Wall K., Wessler S., Yang G., Yin T., Douglas C., Marra M., Sandberg G., Van de Peer Y., Rokhsar D. The genome of black cottonwood, Populus trichocarpa (Torr. & Gray). Science. 2006;313(5793):1596-1604. DOI 10.1126/science.1128691.

Tuskan G.A., Difazio S., Jansson S., Bohlmann J., Grigoriev I., Hellsten U., Putnam N., Ralph S., Rombauts S., Salamov A., Schein J., Sterck L., Aerts A., Bhalerao R.R., Bhalerao R.P., Blaudez D., Boer¬jan W., Brun A., Brunner A., Busov V., Campbell M., Carlson J., Chalot M., Chapman J., Chen G.L., Cooper D., Coutinho P.M., Cou¬turier J., Covert S., Cronk Q., Cunningham R., Davis J., Degroeve S., Dejardin A., Depamphilis C., Detter J., Dirks B., Dubchak I., Duples¬sis S., Ehlting J., Ellis B., Gendler K., Goodstein D., Gribskov M., Grimwood J., Groover A., Gunter L., Hamberger B., Heinze B., Helariutta Y., Henrissat B., Holligan D., Holt R., Huang W., IslamFaridi N., Jones S., Jones-Rhoades M., Jorgensen R., Joshi C., Kangasjarvi J., Karlsson J., Kelleher C., Kirkpatrick R., Kirst M., Kohler A., Kalluri U., Larimer F., Leebens-Mack J., Leple J.C., Locascio P., Lou Y., Lucas S., Martin F., Montanini B., Napoli C., Nelson D.R., Nelson C., Nieminen K., Nilsson O., Pereda V., Peter G., Philippe R., Pilate G., Poliakov A., Razumovskaya J., Richardson P., Rinaldi C., Ritland K., Rouze P., Ryaboy D., Schmutz J., Schrader J., Segerman B., Shin H., Siddiqui A., Sterky F., Terry A., Tsai C.J., Uberbacher E., Unneberg P., Vahala J., Wall K., Wessler S., Yang G., Yin T., Douglas C., Marra M., Sandberg G., Van de Peer Y., Rokhsar D. The genome of black cottonwood, Populus trichocarpa (Torr. & Gray). Science. 2006;313(5793):1596-1604. DOI 10.1126/science.1128691.

White T.J., Bruns T., Lee S.,Taylor J.W. Amplification and direct sequencing of fungal ribosomal RNA genes for phylogenetics. In: Innis M.A., Gelfand D.H., Sninsky J.J., White T.J. (Eds.). PCR Proto¬cols: A Guide to Methods and Applications. New York: Acad. Press, 1990;315-322. DOI 10.1016/B978-0-12-372180-8.50042-1.

White T.J., Bruns T., Lee S.,Taylor J.W. Amplification and direct sequencing of fungal ribosomal RNA genes for phylogenetics. In: In¬nis M.A., Gelfand D.H., Sninsky J.J., White T.J. (Eds.). PCR Proto¬cols: A Guide to Methods and Applications. New York: Acad. Press, 1990;315-322. DOI 10.1016/B978-0-12-372180-8.50042-1.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.