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

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.

1. 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.

2. 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)

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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)

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.