vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS10.18699/VJ19.583vavilov-2403Research ArticleЭкологическая генетикаEcological geneticsМетод газовой хроматографии-масс-спектрометрии для таксономии мискантусаGas chromatography-mass spectrometry in the taxonomy of MiscanthusСлынькоН. М.SlynkoN. M.

Новосибирск

Novosibirsk

nslynko@bionet.nsc.ruБурмакинаН. В.BurmakinaN. V.

Новосибирск

Novosibirsk

ПоцелуевО. М.PotseluyevO. M.

Новосибирск

Novosibirsk

КапустянчикС. Ю.KapustyanchikS. Yu.

Новосибирск

Novosibirsk

ГалицынГ. Ю.GalitsinG. Yu.

Новосибирск

Novosibirsk

ГорячковскаяТ. Н.GoryachkovskayaT. N.

Новосибирск

Novosibirsk

КуйбидаЛ. В.KuybidaL. V.

Новосибирск

Novosibirsk

https://orcid.org/0000-0001-5604-5601ШеховцовС. В.ShekhovtsovS. V.

Новосибирск

Novosibirsk

https://orcid.org/0000-0002-3524-0456ПельтекС. Е.PeltekS. E.

Новосибирск

Novosibirsk

ШумныйВ. К.ShumnyV. K.

Новосибирск

Novosibirsk

Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Cytology and Genetics, SB RASRussian FederationИнститут химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского Сибирского отделения Российской академии наукРоссияVoevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion, SB RASRussian Federation20191001202023810761081Copyright © Слынько Н.М., Бурмакина Н.В., Поцелуев О.М., Капустянчик С.Ю., Галицын Г.Ю., Горячковская Т.Н., Куйбида Л.В., Шеховцов С.В., Пельтек С.Е., Шумный В.К., 20202020Слынько Н.М., Бурмакина Н.В., Поцелуев О.М., Капустянчик С.Ю., Галицын Г.Ю., Горячковская Т.Н., Куйбида Л.В., Шеховцов С.В., Пельтек С.Е., Шумный В.К.Slynko N.M., Burmakina N.V., Potseluyev O.M., Kapustyanchik S.Y., Galitsin G.Y., Goryachkovskaya T.N., Kuybida L.V., Shekhovtsov S.V., Peltek S.E., Shumny V.K.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/2403

Выделение новых видоопределяющих признаков актуально для систематики мискантуса и маркирования генотипов гибридов. Культивируемый в мире гибрид мискантуса Miscanthus × giganteus является аллополиплоидом, содержащим геномы Miscanthus sacchariflorus (в качестве материнского) и M. sinensis. В работе проведен хемотаксономический анализ образцов M. sinensis и M. sacchariflorus, собранных на Дальнем Востоке, и гибридных образцов как природного происхождения, так и полученных искусственно. В экстрактах 11 образцов мискантуса методом газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС) обнаружено 153 соединения, из которых 143 идентифицировано. Из этих соединений в соответствии с их химическим строением были выделены группы алканов (20 соединений), жирных кислот (34), фенолов (13), стеролов (18), токоферолов (8), нортерпеноидов (12) и фитолов (13) вместе с их производными. Основные компоненты экстрактов образцов мискантуса – жирные кислоты и их производные (общее содержание 19.94–41.02 %), с преобладанием пальмитиновой и линоленовых кислот, а также стеролы (особенно β-ситостерол, стигмастерол и α-амирин), на долю которых приходится 17.15–31.73 %. Значения «индекса нечетности» CPI для алкановых компонентов экстракционных смесей были в диапазоне 1.55–7.18, причем экстракты из листьев дальневосточных образцов характеризовались значениями нижней половины этого диапазона (1.55–2.74), тогда как экстракты из листьев гибридов – значениями верхней половины (5.78–7.18). Анализ экстракционных профилей методом главных компонент позволил выявить три отчетливо разделенных кластера, объединяющих образцы M. sinensis, M. sachariflorus и их гибридов, и уточнить таксономическое отнесение одного из гибридов. Хемотаксономическое отнесение в целом согласуется с результатами молекулярно-генетического анализа последовательности фрагмента пластидного генома мискантуса, который позволил также подтвердить видовую природу материнских растений, использованных для получения этих гибридов. Хемотаксономический анализ с использованием метода ГХ-МС может оказаться эффективным дополнительным инструментом в таксономическом отнесении различных морфологических форм мискантуса к M. sinensis или M. sachariflorus, а также для хемотаксономической характеристики гибридов.

Chemotaxonomy as a system approach deals with intra- and interspecific polymorphism of a group of taxa in order to clarify their taxonomic positions or to select material for selection or introduction. In this study we performed chemotaxonomic analysis of specimens of Miscanthus sinensis and M. sacchariflorus collected in the Russian Far East and of hybrid plants of both natural and artificial origin. We found 153 substances and identified 143 of them in extracts of eleven Miscanthus plants by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). These substances can be grouped into alkanes (20 compounds), fatty acids (34), phenols (13), sterols (18) toсopherols (8), norterpenoids (12), and phytols (13), as well as their derivatives. The main components of the extracts of miscanthus samples are fatty acids and their derivatives (total content 19.94–41.02 %), dominated by palmitic and linolenic acids, and sterols (mainly β-sitosterol, stigmasterol, and α-amyrin), which constitute 17.15–31.73 %. The values of the CPI “oddness index” for the alkane components of the extracts were within 1.55–7.18, with extracts from leaves of the Far Eastern samples characterized by the lower half of this range (1.55–2.74), while extracts from leaves of hybrids fell to the upper half (5.78–7.18). Principal component analysis of extraction profiles allowed us to separate three distinct clusters: M. sinensis, M. sachariflorus, and their hybrids, as well as to verify the origin of one of the natural hybrids. The results of chemotaxonomic analysis mostly matched those of DNA sequencing of a fragment of the plastid genome, which, moreover, allowed us to identify the species nature of the maternal plants used to obtain these hybrids. Chemotaxonomic analysis using GC-MS was found to be an efficient additional technique to delimit various morphological forms of M. sinensis, M. sachariflorus, and their hybrids.

мискантуслистьятаксономияГХ-МСметод главных компонентпластидный геномMiscanthusleavestaxonomyGC-MSPCAplastid genomeThis work was supported by State Budgeted Project АААА-А17-117092070032-4.This work was supported by State Budgeted Project АААА-А17-117092070032-4.ReferencesДармограй С.В., Ерофеева Н.С., Филиппова А.С., Дармограй В.Н. Хемотаксономическое изучение некоторых видов рода ясколки (Cerastium L.) семейства гвоздичные (Caryophyllaceae Juss.). Усп. соврем. естествознания. 2016;7:32-36.Darmogray S.V., Erofeeva N.S., Filippova A.S., Darmogray V.N. Chemotaxonomical study of the Cerastium genus some plants of the Caryophyllaceae family. Uspekhi Sovremennogo Yestestvoznaniya = Advances in Current Natural Sciences. 2016;7:32-36. (in Russian)Покровская И.С., Мазова О.В., Апыхтин Н.Н., Племенков В.В. Хемотаксономия тысячелистника обыкновенного (Achillea millefolium L.). Химия раст. сырья. 2009;3:85-89.Pokrovskaya I.S., Mazova O.V., Apykhtin N.N., Plemenkov V.V. Chemotaxonomy yarrow (Achillea millefolium L.). Khimiya Rastitelnogo Syr’ya = Chemistry of Plant Raw Materials. 2009;3:85-89. (in Russian)Buckingham J. Dictionary of Organic Compounds. CRC Press, 1996; 8:3681.Buckingham J. Dictionary of Organic Compounds. CRC Press, 1996; 8:3681.Chen S.L., Renvoize S.A. Miscanthus. In: Wu Z.Y., Raven P.H., Hong D.Y. (Ed.). Flora of China. Beijing/St. Louis: Science Press/ Missouri Botanical Garden Press, 2006;22:581-583.Chen S.L., Renvoize S.A. Miscanthus. In: Wu Z.Y., Raven P.H., Hong D.Y. (Ed.). Flora of China. Beijing/St. Louis: Science Press/ Missouri Botanical Garden Press, 2006;22:581-583.Dool H.V.D., Kratz P.D., A generalization of the retention index system including linear temperature programmed gas-liquid partition chromatography. J. Chromatogr. A. 1963;11:463-471. DOI 10.1016/S0021-9673(01)80947-X.Dool H.V.D., Kratz P.D., A generalization of the retention index system including linear temperature programmed gas-liquid partition chromatography. J. Chromatogr. A. 1963;11:463-471. DOI 10.1016/S0021-9673(01)80947-X.Eglinton G., Hamilton R.J. Leaf epicuticular waxes. Science. 1967; 156:1322-1335.Eglinton G., Hamilton R.J. Leaf epicuticular waxes. Science. 1967; 156:1322-1335.Hammer Ø., Harper D.A.T., Ryan P.D. Past: Paleontological Statistics Software Package for Education and Data Analysis. Palaeontologia Electronica. 2001;4(1):1-9. 178kb. http://palaeo-electronica.org/2001_1/past/issue1_01.htm.Hammer Ø., Harper D.A.T., Ryan P.D. Past: Paleontological Statistics Software Package for Education and Data Analysis. Palaeontologia Electronica. 2001;4(1):1-9. 178kb. http://palaeo-electronica.org/2001_1/past/issue1_01.htm.Hodkinson T.R., Petrunenko E., Klaas M., Münnich C., Barth S., Shekhovtsov S.V., Peltek S.E. New breeding collections of Miscanthus sinensis, M. sacchariflorus and hybrids from Primorsky Krai, Far Eastern Russia. In: Perennial Biomass Crops for a Resource-Constrained World. Springer, 2016;105-118.Hodkinson T.R., Petrunenko E., Klaas M., Münnich C., Barth S., Shekhovtsov S.V., Peltek S.E. New breeding collections of Miscanthus sinensis, M. sacchariflorus and hybrids from Primorsky Krai, Far Eastern Russia. In: Perennial Biomass Crops for a Resource-Constrained World. Springer, 2016;105-118.Hodkinson T.R., Renvoize S.A. Nomenclature of Miscanthus × giganteus (Poaceae). Kew Bull. 2001;56:759-760. DOI 10.2307/4117709.Hodkinson T.R., Renvoize S.A. Nomenclature of Miscanthus × giganteus (Poaceae). Kew Bull. 2001;56:759-760. DOI 10.2307/4117709.Jetter R., Kunst L., Samuels A.L. Composition of plant cuticular waxes. In: Riederer M., Muller C. (Ed). Biology of the Plant Cuticle. Oxford: Blackwell Publ., 2006.Jetter R., Kunst L., Samuels A.L. Composition of plant cuticular waxes. In: Riederer M., Muller C. (Ed). Biology of the Plant Cuticle. Oxford: Blackwell Publ., 2006.Linde-Laursen I.B. Cytogenetic analysis of Miscanthus ‘Giganteus’, an interspecific hybrid. Hereditas. 1993;119:297-300. DOI 10.1111/j.1601-5223.1993.00297.x.Linde-Laursen I.B. Cytogenetic analysis of Miscanthus ‘Giganteus’, an interspecific hybrid. Hereditas. 1993;119:297-300. DOI 10.1111/j.1601-5223.1993.00297.x.Namzalov B.B., Zhigzhitzhapova S.V., Dubrovsky N.G., Sakhyaeva A.B., Radnaeva L.D. Wormwoods of Buryatia: diversity analysis, ecological-geographical features, and chemotaxonomy of section Abrotanum. Acta Biologica Sibirica. 2019;5(3):178-187. DOI 10.14258/abs.v5.i3.6589.Namzalov B.B., Zhigzhitzhapova S.V., Dubrovsky N.G., Sakhyaeva A.B., Radnaeva L.D. Wormwoods of Buryatia: diversity analysis, ecological-geographical features, and chemotaxonomy of section Abrotanum. Acta Biologica Sibirica. 2019;5(3):178-187. DOI 10.14258/abs.v5.i3.6589.Osorio C., Duque C., Batista-Viera F. Studies on aroma generation in lulo (Solanum quitoense): enzymatic hydrolysis of glycosides from leaves. Food Chem. 2003;81(3):333-340. DOI 10.1016/S0308-8146(02)00427-2.Osorio C., Duque C., Batista-Viera F. Studies on aroma generation in lulo (Solanum quitoense): enzymatic hydrolysis of glycosides from leaves. Food Chem. 2003;81(3):333-340. DOI 10.1016/S0308-8146(02)00427-2.Shekhovtsov S.V., Shekhovtsova I.N., Peltek S.E.. Phylogeny of Siberian species of Carex sect. Vesicariae based on nuclear and plastid markers. Nord. J. Bot. 2012;30(3):343-351. DOI 10.1111/j.1756-1051.2011.01405.x.Shekhovtsov S.V., Shekhovtsova I.N., Peltek S.E.. Phylogeny of Siberian species of Carex sect. Vesicariae based on nuclear and plastid markers. Nord. J. Bot. 2012;30(3):343-351. DOI 10.1111/j.1756-1051.2011.01405.x.Silva F.M.A., Silva F.F.A., Lima B.R., Almeida R.A., Soares E.R., Koolen H.H.F., Souza A.D.L., Pinheiro M.L.B. Chemotaxonomy of the Amazonian Unonopsis species based on leaf alkaloid fingerprint direct infusion ESI-MS and chemometric analysis. J. Braz. Chem. Soc. 2016;27:599-604. DOI 10.5935/0103-5053.20150296.Silva F.M.A., Silva F.F.A., Lima B.R., Almeida R.A., Soares E.R., Koolen H.H.F., Souza A.D.L., Pinheiro M.L.B. Chemotaxonomy of the Amazonian Unonopsis species based on leaf alkaloid fingerprint direct infusion ESI-MS and chemometric analysis. J. Braz. Chem. Soc. 2016;27:599-604. DOI 10.5935/0103-5053.20150296.Socaci S.A., Socaciu C., Tofană M., Raţi I., Pinteaa A. In-tube extraction and GC-MS analysis of volatile components from wild and cultivated sea buckthorn (Hippophae rhamnoides L. ssp. Carpatica) berry varieties and juice. Phytochem. Anal. 2013;24:319-328. DOI 10.1002/pca.2413. Epub 2013 Jan 15.Socaci S.A., Socaciu C., Tofană M., Raţi I., Pinteaa A. In-tube extraction and GC-MS analysis of volatile components from wild and cultivated sea buckthorn (Hippophae rhamnoides L. ssp. Carpatica) berry varieties and juice. Phytochem. Anal. 2013;24:319-328. DOI 10.1002/pca.2413. Epub 2013 Jan 15.Villaverde J.J., Domingues R.M.A., Freire C.S.R., Silvestre A.J.D., Pascoal Neto C., Ligero P., Vega A. Miscanthus × giganteus extractives: a source of valuable phenolic compounds and sterols. J. Agric. Food Chem. 2009;57:3626-3631. DOI 10.1021/jf900071t.Villaverde J.J., Domingues R.M.A., Freire C.S.R., Silvestre A.J.D., Pascoal Neto C., Ligero P., Vega A. Miscanthus × giganteus extractives: a source of valuable phenolic compounds and sterols. J. Agric. Food Chem. 2009;57:3626-3631. DOI 10.1021/jf900071t.Weißmann G.V., Lange W. Untersuchung der Extraktstoffe von Miscanthus sinensis Anderss. Holzforschung. 1991;45(4):285-289.Weißmann G.V., Lange W. Untersuchung der Extraktstoffe von Miscanthus sinensis Anderss. Holzforschung. 1991;45(4):285-289.Winkler-Moser J. Gas Chromatographic Analysis of Plant Sterols. USDA, ARS, NCAUR, Functional Foods Research Unit, 2012. DOI 10.21748/lipidlibrary.40384.Winkler-Moser J. Gas Chromatographic Analysis of Plant Sterols. USDA, ARS, NCAUR, Functional Foods Research Unit, 2012. DOI 10.21748/lipidlibrary.40384.Yi Duan, Jinxian He. Distribution and isotopic composition of n-alkanes from grass, reed and tree leaves along a latitudinal gradient in China. Geochem. J. 2011;45:199-207. DOI 10.2343/geochemj.1.0115.Yi Duan, Jinxian He. Distribution and isotopic composition of n-alkanes from grass, reed and tree leaves along a latitudinal gradient in China. Geochem. J. 2011;45:199-207. DOI 10.2343/geochemj.1.0115.

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