Идентификация видов рода Nitraria L. (Nitrariaceae) на основе нуклеотидной изменчивости ядерной рибосомной ДНК

Проведен сравнительный анализ внутригеномного полиморфизма последовательностей внутренних транскрибируемых спейсеров ITS1 и ITS2 ядерной рибосомной ДНК у 33 образцов, принадлежащих трем видам Nitraria – N. schoberi, N. sibirica, N. komarovii. Выявлена нуклеотидная изменчивость региона ITS у изученных видов Nitraria в виде однонуклеотидных замен (преимущественно транзиции) и однонуклеотидной делеции. Сведения о нуклеотидной изменчивости фрагментов приводятся впервые нами. Регион ITS1-5.8S-ITS2 у изученных видов Nitraria содержит 17 филогенетически информативных однонуклеотидных замен. В межгенном спейсере ITS1 выявлено 11 однонуклеотидных замен – транзиций (C/T). Спейсер ITS2 содержит 273–274 п.н. и отличается большей консервативностью. Всего в ITS2 у изученных образцов выявлено пять филогенетически информативных однонуклеотидных замен (четыре транзиции: C/T, G/A, одна трансверсия: G/C), одна однонуклеотидная делеция (T/–). Среднее значение содержания G+C составляет 61.5 %. Величина содержания GC-состава ниже у N. sibirica (59.2 %), чем у N. schoberi и N. komarovii (62.7 %). В сравнении с полноразмерным фрагментом ITS, более короткий ITS2 является подходящим молекулярным маркером, дискриминирующим виды, из-за низкой межвидовой изменчивости и одновременно выраженной внутривидовой вариабельности. Филогенетические ML и BI деревья, построенные как отдельно по спейсерам ITS1 и ITS2, так и отдельно по полноразмерному ITS-региону и спейсеру ITS2, оказались конгруэнтны. Полученные результаты по внутривидовой дифференциации N. sibirica позволяют выделить среди образцов этого вида два основных риботипа: основной сибирский sibirica-риботип и основной казахстанский sibirica-риботип. Географические особенности распространения риботипов N. sibirica, а также наличие существенных различий между основными сибирским и казахстанским sibirica-риботипами (три однонуклеотидные замены) свидетельствуют о существенных межпопуляционных различиях и таксономической неоднородности N. sibirica. Вероятнее всего, в настоящее время продолжаются процессы гомогенизации рибосомной ДНК образцов N. sibirica, происхождение которых связано с гибридизацией и видообразованием.

1. Banaev E.V., Tomoshevich M.A., Ak-Lama T.A. Nitrariaceae. In: Marhold K., Breitwieser I. IAPT Chromosome Data 27. Taxon. 2018;67(5):1042. DOI 10.12705/675.24.

2. Banaev E.V., Tomoshevich M.A., Yamtyrov M.B. Variability of metric and qualitative traits of Nitraria species in relation to ecological and climatic conditions of Siberian habitats. Contemp. Probl. Ecol. 2017;10(6):664-673. DOI 10.1134/S1995425517060038.

3. Banaev E.V., Voronkova M.S., Vysochina G.I., Tomoshevich M.A. Population structure and differentiation of the Siberian representatives of the genus Nitraria L. (Nitrariaceae) based on the composition and content of phenolic compounds in leaves. Contemp. Probl. Ecol. 2015;8(6):735-742. DOI 10.1134/S1995425515060025.

4. Bolson M., Smidt E.C., Brotto M.L., Silva-Pereira V. ITS and trnHpsbA as efficient DNA barcodes to identify threatened commercial woody angiosperms from southern Brazilian Atlantic Rainforests. PLoS One. 2015;10(12):e0143049. DOI 10.1371/journal.pone.0143049.

5. CBOL Plant Working Group. A DNA barcode for land plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009;106:12794-12797.

6. 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.

7. Doyle J.J., Doyle J.L. Isolation of plant DNA from fresh tissue. Focus. 1990;12:12-15.

8. Efimova A.P., Poliakova T.A., Belokon M.M., Belokon Y.S., Politov D.V. Morphological and molecular genetic verification of interspecific hybrid Salix×zhataica (Salicaceae) from Central Yakutia. Russ. J. Genet. 2019;55(5):551-556. DOI 10.1134/S1022795419050053.

9. Felsenstein J. Confidence limits on phylogenies: an approach using the bootstrap. Evolution. 1985;39:783-791.

10. Feng Sh., Jiang M., Shi Yu., Jiao K., Shen Ch., Lu J., Ying Q., Wang H. Application of the ribosomal DNA ITS2 region of Physalis (Solanaceae): DNA barcoding and phylogenetic study. Front. Plant Sci. 2016;7:1047. DOI 10.3389/fpls.2016.01047.

11. Gao T., Yao H., Song J., Zhu Y., Liu C., Chen S. Evaluating the feasibility of using candidate DNA barcodes in discriminating species of the large Asteraceae family. BMC Evol. Biol. 2010; 10:324. DOI 10.1186/1471-2148-10-324.

12. Hall T.A. BioEdit: a user-friendly biological sequence alignment editor and analysis program for Windows 95/98/NT. Nucleic Acids Symposium Ser. 1999;41:95-98.

13. Hollingsworth P.M. Refining the DNA barcode for land plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011;108(49):19451-19452. DOI 10.1073/pnas.1116812108.

14. Guindon S., Gascuel O. A simple, fast and accurate method to estimate large phylogenies by maximum-likelihood. Syst. Biol. 2003;52:696-704.

15. Koropachinskii I.Y. Tree Flora of Siberia. Novosibirsk, 2016. (in Russian)

16. Kovtonyuk N.K., Tomoshevich M.A., Banaev E.V. Typification of the name Nitraria komarovii (Nitrariaceae). Bot. Pac. 2019; 8(2):115-118. DOI 10.17581/bp.2019.08210.

17. Kumar S., Stecher G., Li M., Knyaz C., Tamura K. MEGA X: Molecular Evolutionary Genetics Analysis across computing platforms. Mol. Biol. Evol. 2018;35(6):1547-1549. DOI 10.1093/molbev/msy096.

18. 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):19641-19646. DOI 10.1073/pnas.1104551108.

19. Muratova E.N., Goryachkina O.V., Banaev E.V. Karyological studies on Siberian species of Nitraria L. (Nitrariaceae). Turczaninowia. 2013;16(4):50-54. DOI 10.14258/turczaninowia.16.4.9. (in Russian)

20. Peshkova G.A. Family Nitrariaceae. In: Flora of Siberia. Novosibirsk, 1996;10:34-35. (in Russian)

21. Polyakova T.A., Shatokhina A.V., Shirmanov M.V., Bondarenko G.N. Assessment of taxonomy relationships among the Siberian representatives of Spiraea L. (section Chamaedryon Ser., Rosaceae Juss.) based on the ITS sequence polymorphism. In: Problems of Botany of South Siberia and Mongolia: Proceedings of the 14th Scientific and Practical Conference, May 25–29, 2015, Barnaul. Barnaul, 2015;353-358. (in Russian)

22. Potter D., Still S.M., Grebenc T., Ballian D., Božič G., Franjiæ J., Kraigher H. Phylogenetic relationships in tribe Spiraeeae (Rosaceae) inferred from nucleotide sequence data. Plant Syst. Evol. 2007;266:105-118. DOI 10.1007/s00606-007-0544-z.

23. Rauscher J.T., Doyle J.J., Brown A.H.D. Internal transcribed spacer repeat-specific primers and the analysis of hybridization in the Glycine tomentella (Leguminosae) polyploid complex. Mol. Ecol. 2003;11(12):2691-2702. DOI 10.1046/j.1365-294X.2002.01640.x.

24. Ren B.Q., Xiang X.G., Chen Z.D. Species identification of Alnus (Betulaceae) using nrDNA and cpDNA genetic markers. Mol. Ecol. Resour. 2010;10(4):594-605. DOI 10.1111/j.1755-0998.2009.02815.x.

25. Rodionov A.V., Gnutikov A.A., Kotsinyan A.R., Kotseruba V.V., Nosov N.N., Punina E.O., Raiko M.P., Tyupa N.B., Kim E.S. Sequence ITS1–5.8S rDNA–ITS2 in 35S rRNA genes as a marker in grass (Poaceae) molecelar phylogeny. Uspekhi Sovremennoy Biologii = Advances in Current Biology. 2016;136(5):419-437. (in Russian)

26. Ronquist F., Huelsenbeck J.P. MrBayes 3: Bayesian phylogenetic inference under mixed models. Bioinformatics. 2003;19(12): 1572-1574. DOI 10.1093/bioinformatics/btg180.

27. Ronquist F., Teslenko M., van der Mark P., Ayres D.L., Darling A., Hohna S., Larget B., Liu L., Suchard M.A., Huelsenbeck J.P. MrBayes 3.2: efficient Bayesian phylogenetic inference and model choice across a large model space. Syst. Biol. 2012;61(3): 539-542. DOI 10.1093/sysbio/sys029.

28. Schneyer V.S. DNA barcoding is a new approach in comparative genomics of plants. Russ. J. Genet. 2009;45(11):1267-1278. DOI 10.1134/S1022795409110027.

29. Schneyer V.S., Rodionov A.V. Plant DNA barcodes. Uspekhi Sovremennoy Biologii = Advances in Current Biology. 2018;138(6): 531-538. DOI 10.7868/S0042132418060017. (in Russian)

30. Song J., Shi L., Li D., Sun Y., Niu Yu., Chen Z., Luo H., Pang X., Sun Z., Liu Ch., Lv A., Deng Y., Larson-Rabin Z., Wilkinson M., Chen Sh. Extensive pyrosequencing reveals frequent intra-genomic variations of internal transcribed spacer regions of nuclear ribosomal DNA. PLoS One. 2012;7(8):e43971. DOI 10.1371/journal.pone.0043971.

31. Srikulnath K., Sawasdichai S., Jantapanon T.K., Pongtongkam P., Peyachoknagul S. Phylogenetic relationship of Dendrobium species in Thailand inferred from chloroplast matK gene and nuclear rDNA ITS region. Hort. J. 2015. DOI 10.2503/hortj.MI-028.

32. Tamura K. Estimation of the number of nucleotide substitutions when there are strong transition-transversion and G+C-content biases. Mol. Biol. Evol. 1992;9:678-687.

33. Temirbayeva K., Zhang M.-L. Molecular phylogenetic and biogeographical analysis of Nitraria based on nuclear and chloroplast DNA sequences. Plant Syst. Evol. 2015;301:1897-1906. DOI 10.1007/s00606-015-1202-5.

34. Tomoshevich M.A., Banaev E.V., Ak-Lama T.A. Nitraria komarovii Iljin & Lava ex Bobrov (Nitrariaceae), a new record for the flora of Kazakhstan. Check List. 2019;15(5):891-897. DOI 10.15560/15.5.891.

35. Wang X.-Y., Zheng S.-H., Liu Y., Han J.-P. ITS2, a better DNA barcode than ITS in identification of species in Artemisia L. Chin. Herb. Med. 2016;8(4):352-358. DOI 10.1016/S1674-6384(16)60062-X.

36. Xu B., Zeng X.-M., Gao X.-F., Jin D.-P., Zhang L.-B. ITS non-concerted evolution and rampant hybridization in the legume genus Lespedeza (Fabaceae). Sci. Rep. 2017;7:e40057. DOI 10.1038/srep40057.

37. Zhang Zh.-L., Song M.-F., Guan Y.-H., Li H.-T., Niu Y.-F., Zhang L.-X., Ma X.-J. DNA barcoding in medicinal plants: testing the potential of a proposed barcoding marker for identification of Uncaria species from China. Biochem. Syst. Ecol. 2015;60:8-14. DOI 10.1016/j.bse.2015.02.017.