Комплексная агробиологическая оценка и анализ генетических взаимосвязей перспективных сортов ореха грецкого Никитского ботанического сада

Орех грецкий – важная садовая культура, которая по объему производства занимает второе место среди всех орехоплодных. Несмотря на значительную потребность на внутреннем рынке, промышленное производство плодов ореха грецкого в России в настоящее время развито недостаточно. При этом существует необходимость обновления сортимента новыми высокопродуктивными сортами, адаптированными к местным агроклиматическим условиям и обладающими высоким качеством плодов, конкурентоспособными на мировом уровне. Важным вопросом для успешной реализации селекционных программ является комплексное изучение генофонда. В связи с этим в рамках исследования была поставлена задача оценки по комплексу признаков перспективных сортов из коллекции генофонда ореха грецкого Никитского ботанического сада и анализа генетических взаимосвязей на основе микросателлитного генотипирования. По результатам выполненной фенотипической оценки изучаемая выборка, включающая 31 сорт, была разделена на несколько групп по основным хозяйственно-биологическим характеристикам, таким как морозо- и засухоустойчивость, срок начала вегетации, сроки созревания, тип цветения, масса плода, толщина эндокарпа. Выделены сорта с хозяйственно ценными признаками, которые можно рекомендовать как перспективные в качестве исходных родительских форм в селекционной работе на устойчивость к абиотическим стресс-факторам, а также сорта с повышенной урожайностью и обладающие крупным размером плодов. На основании анализа восьми SSR-маркеров (WGA001, WGA376, WGA069, WGA276, WGA009, WGA202, WGA089 и WGA054) оценен уровень генетического разнообразия и определены генетические взаимосвязи в изученной выборке сортов. Выявлено наличие от шести (WGA089) до одиннадцати (WGA276) аллелей на локус. Суммарно по восьми использованным ДНК-маркерам было идентифицировано 70 аллелей при среднем значении 8.75. Анализ данных SSR-генотипирования в программе Structure 2.3.4 установил наличие двух основных групп генотипов. С учетом того, что все изученные сорта представляют собой отборы из местных семенных популяций в разных районах Крымского полуострова, выявленный уровень полиморфизма может опосредованно отражать уровень генетического разнообразия местного генофонда ореха грецкого. При этом наличие двух генетически обособленных групп, вероятно, свидетельствует о существовании двух независимо сформировавшихся пулов автохтонного генофонда вида Juglans regia L. на Крымском полуострове.

1. Antyufeev V.V., Vazhov V.I., Ryabov V.A. Reference Book on the Climate of the Steppe Department of the Nikitsky Botanical Garden. Yalta, 2022. (in Russian)

2. Aradhya M., Woeste K., Velasco D. Genetic diversity, structure and differentiation in cultivated walnut (Juglans regia L.). Acta Hortic. 2010;861:127-132. https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2010.861.16.

3. Balapanov I., Suprun I., Stepanov I., Tokmakov S., Lugovskoy A. Comparative analysis Crimean, Moldavian and Kuban Persian walnut collections genetic variability by SSR-markers. Sci. Hortic. 2019; 253:322-326. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2019.04.014.

4. Bernard A., Barreneche T., Lheureux F., Dirlewanger E. Analysis of genetic diversity and structure in a worldwide walnut (Juglans regia L.) germplasm using SSR markers. PLoS One. 2018a;13(11): 0208021. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0208021.

5. Bernard A., Lheureux F., Dirlewanger E. Walnut: past and future of genetic improvement. Tree Genet. Genomes. 2018b;14:1. https://doi.org/10.1007/s11295-017-1214-0.

6. Bernard A., Barreneche T., Donkpegan A., Lheureux F., Dirlewanger E. Comparison of structure analyses and core collections for the management of walnut genetic resources. Tree Genet. Genomes. 2020a; 16:76. https://doi.org/10.1007/s11295-020-01469-5.

7. Bernard A., Marrano A., Donkpegan A., Brown P.J., Leslie C.A., Neale D.B., Lheureux F., Dirlewanger E. Association and linkage mapping to unravel genetic architecture of phenological traits and lateral bearing in Persian walnut (Juglans regia L.). BMC Genomics. 2020b;21(1):20. https://doi.org/10.21203/rs.2.18573/v1.

8. Bozhuyuk M.R., Ercisli S., Orhan E., Koc A. Determination of the genetic diversity of walnut (Juglans regia L.) cultivar candidates from northeastern Turkey using SSR markers. Mitt. Klosterneubg. 2020; 70(4):269-277.

9. Chen L.N., Ma Q.G., Chen Y.K., Wang B.Q., Pei D. Identification of major walnut cultivars grown in China based on nut phenotypes and SSR markers. Sci. Hortic. 2014;168:240-248. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2014.02.004.

10. Cseke K., Bujdosó G., Báder M., Mertl T., Benke A., Kámpel J.D. Genetic identification of hybrid walnuts (Juglans × intermedia Carr.) in Hungary, the hidden potential for future breeding. Sustainability. 2022;14(8):4782. https://doi.org/10.3390/su14084782.

11. Dangl G.S., Woeste K., Aradhya M.K., Koehmstedt A., Simon C., Potter D., Leslie C.A., McGranahan G. Characterization of 14 microsatellite markers for genetic analysis and cultivars identification of walnut. J. Am. Soc. Hortic. Sci. 2005;130(3):348-354. https://doi.org/10.21273/JASHS.130.3.348.

12. Davoodi F., Rezaei M., Heidari P., Hokmabadi H., Lawson S. Identification and DNA fingerprinting of some superior Persian walnut genotypes in Iran. Erwerbs-Obstbau. 2021;63:393-402. https://doi.org/10.1007/s10341-021-00597-z.

13. Ebrahimi A., Fatahi R., Zamani Z. Analysis of genetic diversity among some Persian walnut genotypes (Juglans regia L.) using morphological traits and SSRs markers. Sci. Hortic. 2011;130(1):146-151. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2011.06.028.

14. Ebrahimi A., Zarei A., Lawson S., Woeste K.E., Smulders M.J.M. Genetic diversity and genetic structure of Persian walnut (Juglans regia) accessions from 14 European, African, and Asian countries using SSR markers. Tree Genet. Genomes. 2016;12:114. https://doi.org/10.1007/s11295-016-1075-y.

15. Ebrahimi A., Zarei A., Fardadonbeh M.Z., Lawson S. Evaluation of genetic variability among “Early Mature” Juglans regia using microsatellite markers and morphological traits. PeerJ. 2017a;5:e3834. https://doi.org/10.7717/peerj.3834.

16. Ebrahimi A., Zarei A.K., McKennac J.R., Bujdoso G., Woeste K.E. Genetic diversity of Persian walnut (Juglans regia) in the cold-temperate zone of the United States and Europe. Sci. Hortic. 2017b;220: 36-41. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2017.03.030.

17. Eremeev G.N., Lishchuk A.I. Guidelines for Selecting Drought-resistant Cultivars and Stocks of Fruit Plants. Yalta, 1974. (in Russian) Evanno G., Regnaut S., Goudet J. Detecting the number of clusters of individuals using the software STRUCTURE: a simulation study. Mol. Ecol. 2005;14(8):2611-2620. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2005.02553.x.

18. Gaisberger H., Legay S., Loo A.C.J., Azimov R., Aaliev S., Bobokalonov F., Mukhsimov N., Kettle C., Vinceti B. Diversity under threat: connecting genetic diversity and threat mapping to set conservation priorities for Juglans regia L. populations in Central Asia. Front. Ecol. Evol. 2020;8:171. https://doi.org/10.3389/fevo.2020.00171.

19. Guney M., Kafkas S., Keles H., Zarifikhosroshahi M., Gundesli M.A., Ercisli S., Necas T., Bujdoso G. Genetic diversity among some walnut (Juglans regia L.) genotypes by SSR markers. Sustainability. 2021;13(12):6830. https://doi.org/10.3390/su13126830.

20. Gunn B.F., Aradhya M., Salick J.M., Miller A.J., Yongping Y., Lin L., Xian H. Genetic variation in walnuts (Juglans regia and J. sigillata; Juglandaceae): species distinctions, human impacts, and the conservation of agrobiodiversity in Yunnan, China. Am. J. Bot. 2010; 97(4):660-671. https://doi.org/10.3732/ajb.0900114.

21. Hammer Ø., Harper D.A.T., Ryan P.D. PAST: Paleontological statistics software package for education and data analysis. Palaeontol. Electron. 2001;4(1):1-9.

22. Ikhsana A.S., Topc H., Sütyemez M., Kafkas S. Novel 307 polymorphic SSR markers from BAC-end sequences in walnut (Juglans regia L.): effects of motif types and repeat lengths on polymorphism and genetic diversity. Sci. Hortic. 2016;213:1-4. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2016.10.006.

23. Il’nitskiy O.A. Fundamentals of Phytomonitoring (Monitoring of Physiological Processes in Plants). Kherson, 2015. (in Russian)

24. Karimi R., Ershadi A., Ehtesham Nia A., Sharifani M., Rasouli M., Ebrahimi A., Vahdati K. Morphological and molecular evaluation of Persian walnut populations in Northern and Western regions of Iran. J. Nuts. 2014;5(2):21-31. https://doi.org/10.22034/JON.2014.515686.

25. Khokhlov S.Yu. Study of varietals diversity of walnuts in the Crimea and the perspective of its use in selection. Byulleten Gosudarstvennogo Nikitskogo Botanicheskogo Sada = Bulletin of the State Nikitsky Botanical Gardens. 2012;105:57-61. (in Russian)

26. Khokhlov S.Yu., Baskakova V.L. Collection of circassian walnut. Nauchnye Zapiski Prirodnogo Zapovednika “Mys Mart’yan” = Proceedings of the Cape Martyan Nature Reserve. 2015;6:235-238. (in Russian)

27. Kushnirenko M.D., Kurchatova G.P., Kryukova E.V. Methods for Assessing the Drought Resistance of Fruit Plants. Chisinau, 1975. (in Russian)

28. Lapin N.I., Ryabova N.V. Some issues in the practice of woody plant introduction in botanical gardens. In: Study of Woody Plants During Introduction. Мoscow: Nauka Publ., 1982;5-29. (in Russian)

29. Lugovskoy A.P., Balapanov I.M. Prospective persian walnut cultivars for North Caucasus zone and their biological characteristics. Plodovodstvo i Vinogradarstvo Yuga Rossii = Fruit Growing and Viticulture of the South of Russia. 2018;51(3):98-110. https://doi.org/10.30679/2219-5335-2018-3-51-98-110. (in Russian)

30. Lugovskoi A.P., Murzinova D.G. Improving the sistem of walnut groving in Northern Caucasus. Plodovodstvo i Vinogradarstvo Yuga Rossii = Fruit Growing and Viticulture of the South of Russia. 2010; 6(5):15-23. (in Russian)

31. Magige E.A., Fan P.-Z., Wambulwa M.C., Milne R., Wu Z.-Y., Luo Y.-H., Khan R., Wu H.-Y., Qi H.-L., Zhu G.-F., Maity D., Khan I., Gao L.-M., Liu J. Genetic diversity and structure of Persian walnut (Juglans regia L.) in Pakistan: implications for conservation. Plants. 2022;11(13):1652. https://doi.org/10.3390/plants11131652.

32. Orhan E., Eyduran S.P., Poljuha D., Akin M., Weber T., Ercisli S. Genetic diversity detection of seed-propagated walnut (Juglans regia L.) germplasm from Eastern Anatolia using SSR markers. Folia Hort. 2020;32(1):1-10. https://doi.org/10.2478/fhort-2020-0004.

33. Peakall R., Smouse P.E. GenAlEx 6.5: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research - an update. Bioinformatics. 2012;28(19):2537-2539. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bts460.

34. Pollegioni P., Woeste K., Major A., Scarascia G., Malvolti M. Characterization of Juglans nigra (L.), Juglans regia (L.) and Juglans × intermedia (Carr.) by SSR markers: a case study in Italy. Silvae Genet. 2009;58(1):68-78. https://doi.org/10.1515/sg-2009-0009.

35. Pollegioni P., Woeste K., Olimpieri I., Marandola D., Cannata F., Malvolti M.E. Long-term human impacts on genetic structure of Italian walnut inferred by SSR marker. Tree Genet. Genomes. 2011;7:707-723. https://doi.org/10.1007/s11295-011-0368-4.

36. Pollegioni P., Woeste K.E., Chiocchini F., Olimpieri I., Tortolano V., Clark J., Hemery G.E., Mapelli S., Malvolti M.E. Landscape genetics of Persian walnut (Juglans regia L.) across its Asian range. Tree Genet. Genomes. 2014;10:1027-1043. https://doi.org/10.1007/s11295-014-0740-2.

37. Pollegioni P., Woeste K.E., Chiocchini F., Del Lungo S., Olimpieri I., Tortolano V., Clark J., Hemery G.E., Mapelli S., Malvolti M.E. Ancient humans influenced the current spatial genetic structure of common walnut populations in Asia. PLoS One. 2015;10(9):e0135980. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0135980.

38. Pollegioni P., Woeste K., Chiocchini F., Del Lungo S., Ciolfi M., Olimpieri I., Tortolano V., Clark J., Hemery G.E., Mapelli S., Malvolti M. Rethinking the history of common walnut (Juglans regia L.) in Europe: its origins and human interactions. PLoS One. 2017;12(3):e0172541. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0172541.

39. Pop I.F., Vicol A.C., Botu M., Raica P.A., Vahdati K., Pamfil D. Relationships of walnut cultivars in a germplasm collection: comparative analysis of phenotypic and molecular data. Sci. Hortic. 2013;153: 124-135. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2013.02.013.

40. Rihter A.A., Yadrov A.A. Walnut. Moscow, 1985. (in Russian)

41. Rogers S.O., Bendich A.J. Extraction of DNA from milligram amounts of fresh, herbarium and mummified plant tissues. Plant. Mol. Biol. 1985;5:69-76. https://doi.org/10.1007/BF00020088.

42. Roor D.W., Konrad H., Mamadjanov D., Geburek T. Population differentiation in common walnut (Juglans regia L.) across major parts of its native range - insights from molecular and morphometric data. J. Hered. 2017;108(4):391-404. https://doi.org/10.1093/jhered/esw122.

43. Shah U.N., Mir J.I., Ahmed N., Fazili K.M. Assessment of germplasm diversity and genetic relationships among walnut (Juglans regia L.) genotypes through microsatellite markers. J. Saudi Soc. Agric. Sci. 2018;17(4):339-350. https://doi.org/10.1016/j.jssas.2016.07.005.

44. Shamlu F., Rezaei M., Lawson S., Ebrahimi A., Biabani A., Khan-Ahmadi A. Genetic diversity of superior Persian walnut genotypes in Azadshahr, Iran. Physiol. Mol. Biol. Plants. 2018;24(5):939-949. https://doi.org/10.1007/s12298-018-0573-9.

45. Suprun I.I., Lugovskoy A.P., Balapanov I.M. Introduction of new forms and updating the walnut gene pool as the basis of improvement of crop’s assortment in the South of Russia. Plodovodstvo i Vinogradarstvo Yuga Rossii = Fruit Growing and Viticulture of the South of Russia. 2016;39(3):26-41. (in Russian)

46. Topcu H., Ikhsana A.S., Sütyemez M., Güneya N.M., Kafkas S. Development of 185 polymorphic simple sequence repeat (SSR) markers from walnut (Juglans regia L.). Sci. Hortic. 2015;194:160-167. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.08.014.

47. Vahdati K., Arab M.M., Sarikhani S., Sadat-Hosseini M., Leslie C.A., Brown P.J. Advances in Persian walnut (Juglans regia L.) breeding strategies. In: Al-Khayri J., Jain S., Johnson D. (Eds.) Advances in Plant Breeding Strategies: Nut and Beverage Crops. Cham: Springer, 2019;401-472. https://doi.org/10.1007/978-3-030-23112-5_11.

48. Vischi M., Chiabà C., Raranciuc S., Poggetti L., Messina R., Ermacora P., Cipriani G., Paffetti D., Vettori C., Testolin R. Genetic diversity of walnut (Juglans regia L.) in the Eastern Italian Alps. Forests. 2017;8(3):81. https://doi.org/10.3390/f8030081.

49. Wang H., Pan G., Ma Q., Zhang J., Pei D. The genetic diversity and introgression of Juglans regia and Juglans sigillata in Tibet as revealed by SSR markers. Tree Genet. Genomes. 2015;11:804. https://doi.org/10.1007/s11295-014-0804-3.

50. Woeste K., Burns R., Rhodes O., Michler C. Thirty polymorphic nuclear microsatellite loci from black walnut. J. Hered. 2002;93:58-60. https://doi.org/10.1093/jhered/93.1.58.

51. Zhou H., Zhao P., Woeste K., Zhang S. Gene flow among wild and cultivated common walnut (Juglans regia) trees in the Qinling Mountains revealed by microsatellite markers. J. For. Res. 2021;32(5): 2189-2201. https://doi.org/10.1007/s11676-020-01254-z.