Изменчивость органельных геномов в коллекции раннеспелых сортов сои

Изменчивость геномов клеточных органелл – хлоропластов и митохондрий – является немаловажной компонентой общей изменчивости генома растений. Получено большое количество данных о сравнительных особенностях организации последовательностей органельных ДНК для различных групп растений. В настоящей работе представлены новые оригинальные данные об изменчивости геномов митохондрий и хлоропластов у сои (Glycine max (L.) Merr.), важной хозяйственной и пищевой культуры, широко возделываемой на территории Центральной Европы, в том числе и в Республике Беларусь. Рабочей гипотезой нашего исследования изначально стало предположение: возможно, особенности изменчивости последовательности или структуры ДНК органелл сои определяют способность одних сортов выступать в роли лучших материнских родителей, а других – быть лучшими отцовскими формами. Получены новые полные нуклеотидные последовательности хлоропластного и митохондриального геномов 46 образцов культурной сои с применением метода секвенирования нового поколения (NGS) на платформе Illumina. Выполнено комплексное биоинформатическое сравнительное исследование внутривидовой изменчивости геномов органелл у 46 сортов сои разнообразного географического происхождения. Выявлены полиморфные локусы геномов. Данные об изменчивости ДНК верифицированы секвенированием по Сэнгеру. Спектр изменчивости органельных ДНК, исследованных методом полногеномного секвенирования сортов сои, представлен тремя гаплотипами хлоропластной ДНК (С1–С3) и пятью гаплотипами митохондриальной ДНК (М1–М5). Обнаружен сравнительно низкий уровень внутривидовой изменчивости геномов органелл у G. max. Хлоропластный геном сои обладал меньшим уровнем изменчивости последовательности, чем митохондриальный. Разработан набор ДНК-маркеров к полиморфным локусам геномов органелл, позволяющий дифференцировать сорта сои на плазматипы. Методом ПЦР с последующим секвенированием по Сэнгеру дополнительно изучено 90 образцов сои из коллекции. Низкий уровень внутривидовой изменчивости геномов органелл у G. max подтвержден на расширенной группе образцов. Большая часть коллекции была представлена тремя плазматипами – С1/М1, С2/М2 и С1/М3. 46 полных последовательностей хлоропластной ДНК помещено в NCBI GenBank. Гипотеза влияния ДНК органелл на комбинационную способность различных сортов в настоящее время не подтверждена. Требуются более детальное изучение механизмов ядерно-цитоплазматического взаимодействия, поиск ядерных маркеров, влияющих на экспрессию цитоплазматических генов.

1. Abe J., Hasegawa A., Fukushi H., Mikami T., Ohara M., Shimamoto Y. Introgression between wild and cultivated soybeans of Japan revealed by RFLP analysis for chloroplast DNAs. Econ Bot. 1999; 53:285-291. doi 10.1007/BF02866640

2. Aksyonova E.A., Rosenzweig V.E., Goloenko D.V., Davydenko O.G. The analysis of belarusian soybean cultivars diversity using nuclear and chloroplast SSR markers. In: Computational Phylogenetics and Molecular Systematics “CPMS 2007”. Moskow, 2007

3. Fang C., Ma Y., Yuan L., Wang Z., Yang R., Zhou Z., Liu T., Tian Z. Chloroplast DNA underwent independent selection from nuclear genes during soybean domestication and improvement. J Genet Genomics. 2016;43(4):217-221. doi 10.1016/j.jgg.2016.01.005

4. Felsenstein J. PHYLIP: Phylogeny Inference Package (Version 3.2). Cladistics. 1989;5:164-166.

5. Gualberto J., Newton K. Plant mitochondrial genomes: dynamics and mechanisms of mutation. Annu Rev Plant Biol. 2017;68:224-252. doi 10.1146/annurev-arplant-043015-112232

6. Hu Y., Sun Y., Zhu Q., Fan L., Li J. Poaceae chloroplast genome sequencing: great leap forward in recent ten years. Curr Genomics. 2022;23(6):369-384. doi 10.2174/1389202924666221201140603

7. Iram S., Hayat M.Q., Tahir M., Gul A., Abdullah, Ahmed I. Chloroplast genome sequence of Artemisia scoparia: comparative analyses and screening of mutational hotspots. Plants. 2019;8(11):476. doi 10.3390/plants8110476

8. Jeong S.C., Moon J.K., Park S.K., Kim M.S., Lee K., Lee S.R., Jeong N., Choi M.S., Kim N., Kang S.T., Park E. Genetic diversity patterns and domestication origin of soybean. Theor Appl Genet. 2019;132(4):1179-1193. doi 10.1007/s00122-018-3271-7

9. Johnston I.G. Tension and resolution: dynamic, evolving populations of organelle genomes within plant cells. Mol Plant. 2019;12(6):764-783. doi 10.1016/j.molp.2018.11.002

10. Kanazawa A., Tozuka A., Shimamoto Y. Sequence variation of chloroplast DNA that involves EcoRI and ClaI restriction site polymorphisms in soybean. Genes Genet Syst. 1998;73(2):111-119. doi 10.1266/ggs.73.111

11. Mehmood F., Shahzadi I., Waseem S., Mirza B., Ahmed I., Waheed M.T. Chloroplast genome of Hibiscus rosa-sinensis (Malvaceae): comparative analyses and identification of mutational hotspots. Genomics. 2020;112(1):581-591. doi 10.1016/j.ygeno.2019.04.010

12. Moore R.M., Harrison A.O., McAllister S.M., Polson S.W., Wommack K.E. Iroki: automatic customization and visualization of phylogenetic trees. PeerJ. 2020;8:e8584. doi 10.7717/peerj.8584

13. Powell W., Morgante M., Andre C., McNicol J.W., Machray G.C., Doyle J.J., Tingey S.V., Rafalski J.A. Hypervariable microsatellites provide a general source of polymorphic DNA markers for the chloroplast genome. Curr Biol. 1995;5(9):1023-1029. doi 10.1016/s0960-9822(95)00206-5

14. Rosenzweig V.E., Goloenko D.V., Davydenko O.G., Shablinskaya O.V., Swiecicki W. Breeding strategies for early soybeans in Belarus. Plant Breeding. 2003;122(5):456-458. doi 10.1046/j.1439-0523.2003.00874.x

15. Shimamoto Y. Polymorphism and phylogeny of soybean based on chloroplast and mitochondrial DNA analysis. Jpn Agric Res Q. 2001; 35(2):79-84. doi 10.6090/jarq.35.79

16. Shimamoto Y., Fukushi H., Abe J., Kanazawa A., Gai J., Gao Z., Xu D. RFLPs of chloroplast and mitochondrial DNA in wild soybean, Glycine soja, growing in China. Genet Resour Crop Evol. 1998;45: 433-439. doi 10.1023/A:1008693603526

17. Shoemaker R.C., Hatfield P.M., Palmer R.G., Atherly A.G. Chloroplast DNA variation in the genus Glycine subgenus Soja. J Hered. 1986;77(1):26-30. doi 10.1093/oxfordjournals.jhered.a110161

18. Siniauskaya M.G., Viguro A.V., Rosenzweig V.E., Goloenko D.V. The variability of chloroplast genome of soybean. In: International Scientific Conference on Molecular Genetics, Genomics and Biotechnology (November 24-26, 2004, Minsk, Belarus). Minsk, 2004;346-347 (in Russian)

19. Siniauskaya M.G., Makarevich A.M., Goloenko I.M., Pankratov V.S., Liaudanski A.D., Danilenko N.G., Lukhanina N.V., Shimkevich A.M., Davydenko O.G. The study of organelle DNA variability in alloplasmic barley lines in the NGS era. Vavilov J Genet Breed. 2020;24(1):12-19. doi 10.18699/VJ19.589

20. Triboush S.O., Danilenko N.G., Davydenko O.G. A method for isolation of chloroplast DNA and mitochondrial DNA from sunflower. Plant Mol Biol Rep. 1998;16:183-189. doi 10.1023/A:1007487806583

21. Tsunewaki K., Mori N., Takumi S. Experimental evolutionary studies on the genetic autonomy of the cytoplasmic genome “plasmon” in the Triticum (wheat)–Aegilops complex. Proc Natl Acad Sci USA. 2019;116(8):3082-3090. doi 10.1073/pnas.1817037116

22. Xu D., Abe J., Gai J., Shimamoto Y. Diversity of chloroplast DNA SSRs in wild and cultivated soybeans: evidence for multiple origins of cultivated soybean. Theor Appl Genet. 2002;105:645-653. doi 10.1007/s00122-002-0972-7

23. Yermakovich A.E., Siniauskaya M.G., Pankratov V.S., Liaudanski A.D., Halayenka I.M., Shymkevich A.M., Lukhanina N.V., Davydenko O.G. Barley chloroplast and mitochondrial genomes diversity evaluation by NGS of the organelle DNA mixtures. Vestsi Natsyyanal’nai Akademii Navuk Belarusi. Seriya Biyalagichnykh Navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Biological Series. 2020;65(3):358-364. doi 10.29235/1029-8940-2020-65-3-358-364 (in Russian)

24. Yue Y., Li J., Sun X., Li Z., Jiang B. Polymorphism analysis of the chloroplast and mitochondrial genomes in soybean. BMC Plant Biol. 2023;23(1):15. doi 10.1186/s12870-022-04028-3