Пластидный и митохондриальный геномы Vavilovia formosa (Stev.) Fed. и филогения родственных родов бобовых
Н. В. Шацкая,
В. С. Богданова, 
О. Э. Костерин,
Г. В. Васильев,
А. К. Кимеклис,
Е. Е. Андронов,
Н. А. Проворов
О. Э. Костерин,
Г. В. Васильев,
А. К. Кимеклис,
Е. Е. Андронов,
Н. А. Проворов https://doi.org/10.18699/VJ19.574
Аннотация
На основании данных высокопроизводительного секвенирования на платформах Illumina и PacBio тотальной ДНК, выделенной из образца Vavilovia formosa (Stev.) Fed. из Северной Осетии (Россия), собраны пластидный и митохондриальный геномы этого вида. Длинные риды, получаемые на платформе PacBio, оказались достаточными для надежной сборки геномов органелл, тогда как короткие риды, получаемые на платформе Illumina, – непригодными для этой цели ввиду значительной контаминации последовательностями ядерного происхождения. Геномы органелл представляют собой кольцевые молекулы ДНК, причем митохондриальный геном состоит из двух кольцевых хромосом. На основе имеющихся в публичных базах данных последовательностей пластидных геномов и пластидного генома Vavilovia предпринят филогенетический анализ, вовлекший некоторых представителей триб Fabeae, Trifolieae и Cicereae. Как и ожидалось, ветвь V. formosa оказалась сестринской к ветви Pisum L. (горох), а триба Fabeae – монофилетична. Позиция рода Trifolium L. (клевер) зависела от метода реконструкции филогении – он кластеризовался либо с Fabeae, либо с родами Medicago L. (люцерна), Trigonella L. (пажитник) и Melilotus Mill. (донник). Вне зависимости от метода реконструкции длина ветвей между последовательными дивергенциями была незначительной, что свидетельствует о быстрой радиации Trifolium, других представителей триб Trifolieae и Fabeae в течение короткого времени по сравнению с дальнейшей эволю цией соответствующих линий. Данные о родстве пластидных геномов рода Trifolium и трибы Fabeae коррелируют со сходством N2-фиксирующих симбионтов этих бобовых, представленных Rhizobium leguminosarum штаммов trifolii и viciae, тогда как симбионты Medicago, Melilotus и Trigonella принадлежат к видам Sinorhizobium meliloti и S. medicae, эволюционно отдаленным от Rhizobium.
Ключевые слова
Vavilovia Formosa (Stev.) Fed.,
Vavilovia A. Fedorov,
Lathyrus L.,
Vicia L.,
Pisum L.,
Lens L.,
Trifolium L.,
Medicago L.,
Trigonella L.,
Melilotus Mill.,
Cicer L.,
Fabeae,
Trifolieae,
Cicereae,
дикие сородичи культурных растений,
горох,
пластидный геном,
филогения,
парафилия,
монофилия
При поддержке: The work by N.V. Shatskaya, V.S. Bogdanova, O.E. Kosterin and G.V. Vasiliev on the assembly of the plastid and mitochondrial genomes and phylogenetic analysis was supported by State Budgeted Project 0324-2019-0041 for the Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, and the Russian Foundation for Basic Research, project 19-04-00162. The work by E.A. Andronov, A.K. Kimeklis, and N.A. Provorov on DNA isolation and high-throughput sequencing was supported by the Russian Science Foundation, project 19-16-00081. The assembly of organellar genomes and phylogenetic analysis were performed with the use of the Computational Facility of the Siberian Supercomputer Center SB RAS and the Computational Facility of the Novosibirsk State University.
Об авторах
Н. В. Шацкая
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия
Новосибирск
Россия
Новосибирск
В. С. Богданова
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия
Новосибирск
Россия
Новосибирск
О. Э. Костерин
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
Россия
Новосибирск
Россия
Новосибирск
Г. В. Васильев
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия
Новосибирск
Россия
Новосибирск
А. К. Кимеклис
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии
Россия
Пушкин, Санкт-Петербург
Россия
Пушкин, Санкт-Петербург
Е. Е. Андронов
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии
Россия
Пушкин, Санкт-Петербург
Россия
Пушкин, Санкт-Петербург
Н. А. Проворов
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии
Россия
Пушкин, Санкт-Петербург
Россия
Пушкин, Санкт-Петербург
Список литературы
1. Akopian J.A., Gabrielyan I.G. On highmountain pea, Vavilovia formosa (Stev.) Fed. (Fabaceae) in Armenia. Crop Wild Relative. 2008;6: 2627.
2. Akopian J., Sarukhanyan N., Gabrielyan I., Vanyan A., Mikić A., Smýkal P., Kenicer G., Vishnyakova M., Ambrose M. Reports on establishing an ex situ site for ‘‘beautiful’’ vavilovia (Vavilovia formosa) in Armenia. Genet. Resour. Crop Evol. 2010;57:11271134. DOI 10.1007/s1072201096060.
3. Akopian J.A., Sinjushin A.A., Gabrielyan I.G., Shaboyan G. On some biomorphological peculiarities of seedlings of Vavilovia formosa (Stev.) Fed. (Fabaceae). Legum Perspect. 2014;5:3435.
4. Altschul S.F., Gish W., Miller W., Myers E.W., Lipman D.J. Basic local alignment search tool. J. Mol. Biol. 1990;215:403410. DOI 10.1016/S00222836(05)803602.
5. Atlagić J., Mikić A., Sarukhanyan N., Vanyan A., Akopian J., Gabrielyan I., Smýkal P., Kenicer G., Vishnyakova M. Ambrose M. Contributions to the characterization of Vavilovia formosa (syn. Pisum formosum). II. Morphology of androecium and gynoecium and mitosis. Pisum Genet. 2010;41:2124.
6. Biondi E.G., Giuntini P.E., Roumiantseva M.L., Andronov E.E., Onichtchouk O.P., Kurchak O.N., Simarov B.V., Dzyubenko N.I., Mengoni A., Bazzicalupo M. Genetic relationship of Sinorhizobium meliloti and Sinorhizobium medicae strains isolated from Caucasian region. FEMS Microbiol. Lett. 2003;220(2):207213. DOI 10.1016/S03781097(03)000983.
7. Chevreux B., Wetter T., Suhai S. Genome sequence assembly using trace signals and additional sequence information. In: Computer Science and Biology: Proc. German Conference on Bioinformatics (GCB). 1999;99:4556.
8. Darriba D., Taboada G.L., Doallo R., Posada D. jModelTest 2: more models, new heuristics and parallel computing. Nat. Methods. 2012; 9(8):772. DOI 10.1038/nmeth.2109.
9. Davis P.H. Vavilovia A. Fed. In: Davis P.H. (Ed.) Flora of Turkey and East Aegean Islands, Vol. 3. Royal Botanical Gardens Edinburgh, Edinburgh. 1970;4445.
10. de la Peña T.C., Fedorova E., Pueyo J.J., Lucas M.M. The symbiosome: legume and rhizobia coevolution toward a nitrogenfixing organelle? Front. Plant Sci. 2018;8:2229. DOI 10.3389/fpls.2017.02229.
11. Drummond A.J., Rambaut A. BEAST: Bayesian evolutionary analysis by sampling trees. BMC Evol. Biol. 2007;7:1. DOI 10.1186/147121487214.
12. Dudeja S.S., Nidhi. Molecular diversity of rhizobia and nonrhizobia bacteria from nodules of cool season legumes. In: Salar R.K., Gahlawat S.K., Siwach P., Duhan J.S. (Eds.). Biotechnology: Prospects and Application. New Dehli: Springer, India, 2013;113125. DOI 10.1007/9788132216834_10.
13. Gnerre S., Maccallum I., Przybylski D., Ribeiro F.J., Burton J.N., Wal ker B.J., Sharpe T., Hall G., Shea T.P., Sykes S., Berlin A.M., Aird D., Costello M., Daza R., Williams L., Nicol R., Gnirke A., Nusbaum C., Lander E.S., Jaffe D.B. Highquality draft assemblies of mammalian genomes from massively parallel sequence data. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011;108:15131508. DOI 10.1073/pnas.1017351108.
14. Gualberto J.M., Mileshina D., Wallet C., Niazi A.K., WeberLotfi F., Dietrich A. The plant mitochondrial genome: dynamics and maintenance. Biochimie. 2014;100:107120. DOI 10.1016/j.biochi.2013. 09.016. PMID: 24075874.
15. Guindon S., Gascuel O. A simple, fast and accurate method to estimate large phylogenies by maximumlikelihood. Syst. Biol. 2003;52: 696704. DOI 10.1080/10635150390235520.
16. Kreplak K., Madoui M.A., Cápal P., Novák P., Labadie K., Aubert G., Bayer P.E., Gali K.K., Syme R.A., Main D., Klein A., Bérard A., Vrbová I., Fournier C., d´Agata L., Belser C., Berrabah W., Toegelová H., Milec Z., Vrána J., Lee H., Kougbeadjo A., Térézol M., Huneau C., Turo C.J., Mohellibi N., Neumann P., Falque M., Gallardo K., McGee R., Tar’an B., Bendahmane A., Aury J.M., Batley J., Le Paslier M.C., Ellis N., Warkentin T.D., Coyne C.J., Salse J., Edwards D., Lichtenzveig J., Macas J., Doležel J., Wincker P., Burstin J. A reference genome for pea provides insight into legume genome evolution. Nat. Genet. 2019;51:14111422. DOI 10.1038/s4158801904801.
17. Larkin M.A., Blackshields G., Brown N.P., Chenna R., McGettigan P.A., McWilliam H., Valentin F., Wallace I.M., Wilm A., Lopez R., Thompson J.D., Gibson T.J., Higgins D.G. Clustal W and Clustal X version 2.0. Bioinformatics. 2007;23:29472948. DOI 10.1093/bioinformatics/btm404.
18. Lohse M., Drechsel O., Kahlau S., Bock R. OrganellarGenomeDRAW – a suite of tools for generating physical maps of plastid and mitochondrial genomes and visualizing expression data sets. Nucleic Acids Res. 2013;41(Web Server issue):W575W581. DOI 10.1093/nar/gkt289.
19. Mikić A., Smýkal P., Kenicer G., Vishnyakova M., Akopian J., Sarukha nyan N., Gabrielyan I., Vanyan A., Toker C., Ćupina B., Ambrose M., Mihailović V., Ellis N. A revival of the research on beautiful vavilovia (Vavilovia formosa syn. Pisum formosum). Pisum Genet. 2009;41:3439.
20. Mikić A., Smýkal P., Kenicer G., Vishnyakova M., Sarukhanyan N., Akopian J., Vanyan A., Gabrielyan I., Smýkalová I., Sherbakova E., Zorić L., Atlagić J., Škorić T., Cupina B., Krstić Р., Jajić I., Antanasović S., Dorđević V., Mihailović V., Ivanov A., Ochatt S., Ambrose M. The bicentenary of the research on ‘beautiful’ Vavilovia (Vavilovia formosa), a legume crop wild relative with taxonomic and agronomic potential. Bot. J. Linn. Soc. 2013;172:524531. DOI 10.1111/boj.12060.
21. Mikić A., Smýkal P., Kenicer G., Vishnyakova M., Sarukhanyan N., Akopian J.A., Vanyan A., Gabrielyan I., Smýkalová I., Sherbakova E., Zorić L., Atlagić J., ZeremskiŠkorić T., Cupina B., Krstić Р., Jajić I., Antanasović S., Dorđević V., Mihailović V., Ivanov A., Ochatt S., Toker C., Zlatković B., Ambrose M. Beauty will save the world, but will the world save beauty? The case of the highly endangered Vavilovia formosa (Stev.). Fed. Planta. 2014;240(5):11391146. DOI 10.1007/s0042501421369.
22. Oskoueiyan R., KazempourOsaloo S., Maassoumi A.A., Nejadsattari T., Mozaffarian V. Phylogenetic status of Vavilovia formosa (FabaceaeFabeae) based on nrDNA ITS and cpDNA sequences. Biochem. Syst. Ecol. 2010;38:313319. DOI 10.1016/j.bse.2010.01.011.
23. Safronova V.I., Kimeklis A.K., Chizhevskaya E.P., Belimov A.A., Andronov E.E., Pinaev A.G., Tikhonovich I.A., Pukhaev A.R., Popov K.P. Genetic diversity of rhizobia isolated from nodules of the relic species Vavilovia formosa (Stev.) Fed. Antonie van Leeuwenhoek. 2014;105:389399. DOI 10.1007/s1048201300899.
24. Safronova V.I., Kuznetsova I.G., Sazanova A.L., Kimeklis A.K., Belimov A.A., Andronov E.E., Pinaev A.G., Chizhevskaya E.P., Pukhaev A.R., Popov K.P., Willems A., Tikhonovich I.A. Bosea vaviloviae sp. nov., a new species of slowgrowing rhizobia isolated from nodules of the relict species Vavilovia formosa (Stev.) Fed. Antonie van Leeuwenhoek. 2015;107:911920. DOI 10.1007/s1048201503839.
25. Schaefer H., Hechenleitner P., SantosGuerra A., Menezes de Sequeira M., Pennington R.T., Kenicer G., Carine M.A. Systematics, biogeography, and character evolution of the legume tribe Fabeae with special focus on the middleAtlantic island lineages. BMC Evol. Biol. 2012;12:250. DOI 10.1186/1471214812250.
26. Sinjushin A.A., Belyakova A.S. On intraspecific variation of Vavilovia formosa (Stev.) Fed. (= Pisum formosum (Stev.) Alef.: Fabeae). Pisum Genet. 2010;41:3134.
27. Sinjushin A.A., Demidenko N.V., Gostimskii S.A. Preliminary report on taxonomical position of Vavilovia formosa (Stev.) Fed. evidenced from morphological and molecular data. Pisum Genet. 2009;41: 1520.
28. Sloan D.B., Alverson A.J., Chuckalovcak J.P., Wu M., McCauley D.E., Palmer J.D., Taylor D.R. Rapid evolution of enormous, multichromosomal genomes in flowering plant mitochondria with exceptionally high mutation rates. PLoS Biol. 2012;10(1):e1001241. DOI 10.1371/journal.pbio.100124.
29. Smith D.R., Keeling P.J. Mitochondrial and plastid genome architecture: Reoccurring themes, but significant differences at the extremes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015;112:1017710184. DOI 10.1073/pnas.1422049112.
30. Tamura K., Stecher G., Peterson D., Kumar S. MEGA6: molecular evolutionary genetics analysisversion 6.0. Mol. Biol. Evol. 2013;30: 27252729. DOI 10.1093/molbev/mst197.
31. Vishnyakova M., Burlyaeva M., Akopian J., Murtazaliev R., Mikić A. Reviewing and updating the detected locations of beautiful vavilovia (Vavilovia formosa) on the Caucasus sensu stricto. Genet. Res. Crop Evol. 2016;63:10851102. DOI 10.1007/s107220160440x.
32. Vishnyakova M.A., Burlyaeva M.O., Seferova I.V., Bagmet L.V., Semenov V.A. Expedition collections of the tribe Vicieae representatives in the Russian Federation and the adjacent territories of the North Caucasus. Bull. Appl. Bot. Genet. Plant Breed. 2013;172: 8286.
33. Wojciechowski M.F., Lavin M., Sanderson M.J. A phylogeny of legumes (Leguminosae) based on analysis of the plastid matK gene resolves many wellsupported subclades within the family. Am. J. Bot. 2004;91(11):18461862. DOI 10.3732/ajb.91.11.1846.
34. Yakovlev G.P. Bobovye Zemnogo Shara = Legumes of the Globe. Leningrad: Nauka Publ., 1991. (in Russian)
35. ZemerskiŠkorić T., Mikić A., Sarukhanyan N., Vanyan A., Akopian J., Gabrielyan I., Smýkal P., Kenicer G., Vishnyakova M., A m brose M. Contributions to the characterization of Vavilovia formosa (syn. Pisum formosum). III. Contents of macroand microelements. Pisum Genet. 2010;41:2830.
36. Zorić L., Luković J., Mikić A., Akopian J., Gabrielyan I., Sarukhanyan N., Vanyan A., Smýkal P., Kenicer G., Vishnyakova M., Ambrose M. Contributions to the characterization of Vavilovia formosa (syn. Pisum formosum). I. Anatomy of stem, leaf and calyx. Pisum Genet. 2010;41:2124.
Рецензия
Просмотров:
1077
Послать статью по эл. почте 