Полиморфизм RAPD- и ISSR-маркеров у зерновых видов амаранта

В генетико-селекционных программах сельскохозяйственных культур для идентификации генотипов, составления генетических карт, изучения генетики, филогении и систематики растений используют различные молекулярно-генетические маркеры, это ускоряет селекцию и способствует эффективному изучению и сохранению генофонда культуры. С помощью RAPD- и ISSR-маркеров возможно быстро идентифицировать большое количество локусов, что удобно при изучении генетической структуры популяций и проведении эволюционных и филогенетических исследований. С целью изучения генетического полиморфизма зерновых видов рода Amaranthus L. по молекулярно-генетическим маркерам и возможностей их практического использования проанализировано 18 коллекционных образцов сортов и популяций разного эколого-географического происхождения. Молекулярно-генетический анализ амаранта позволил выявить высокий уровень полиморфизма ДНК-маркеров (около 85 %). Внутрипопуляционный полиморфизм, установленный с применением RAPD-маркеров, составил от 36.4 до 63.6 %, ISSR – 40.0–65.9 %. Также идентифицировано 203 локуса, из которых 173 оказались полиморфными, 30 – мономорфными (встречались во всех исследованных генотипах), 13 – уникальными (встречались только у какого-либо одного генотипа). Рассчитаны генетические дистанции, значения которых по результатам RAPD- анализа варьировали от Dij = 0.0009 между популяциями 00038 и 00110 вида A. hybridys L. до Dij = 0.0141 между сортом Харьковский-1 (A. hypochondriacus L.) и популяцией 00097 (A. hybridus L.). По результатам ISSR-анализа генетические дистанции варьировали от Dij = 0.0018 между сортом Харьковский-1 и популяцией К-61 вида A. hypochondriacus L. до Dij = 0.0113 между популяциями К-146 (A. caudatus L.) и 00039 (A. hybridus L.). Установлено генетическое родство зерновых видов амаранта, подтверждена монофилетическая теория их происхождения. Доказано, что A. mantegazzianus Passer. является подвидом A. caudatus L. Детектированные уникальные и мономорфные локусы ДНК могут быть использованы для разработки специфических генетических маркеров для идентификации растительного материала и контроля генетической изменчивости амаранта.

зерновые виды амаранта, полиморфизм ДНК, RAPD, ISSR, генетическое родство, монофилетическая теория

1. Alekseeva E.I., Vlasova A.B., Yukhimuk A.N. Physicochemical characterization of amaranth varieties and their genetic differentiation. Trudy BGU = Proceedings of the Belarusian State University. 2010;5(2):127-133. (in Russian)

2. Chan K.F. Phylogenic relationships and genetic diversity detected by RAPD and isozyme analysis of crop and weedy species of amaranthus. M. Phil. Thesis. 1997. Available at http://hdl.handle.net/10722/32162.

3. Costea M., DeMason D. Stem morphology and anatomy in Amaranthus L. (Amaranthaceae) – taxonomic significance. J. Torr. Bot. Soc. 2001;128:254-281.

4. Faseela K.V., Salikutty J. Molecular characterization of amaranthus landraces and assessment of interspecific relationships among Amaranthus spp. (L.) using RAPD markers. Indian J. Genet. 2007;67:12-17.

5. Fatinah A.A., Arumingtyas E.L., Mastuti R. Genetic diversity study among six genera of Amaranth Family found in Malang based on RAPD marker. J. Tropical Life Sci. 2012;2(3):81-86.

6. Goptsiy T.I. Amarant: biologija, vyroshhuvannja, perspektyvy vykorystannja, selekcija [Amaranth: biology, cultivation, prospects of use, and breeding]. Kharkiv, 1999. (in Ukrainian)

7. Labajova M., Senkova S., Ziarovska J., Razna K., Bezo M., Stefunova V., Zelenakova L. The Potential of ISSR markers in Amaranth gamma-radiance mutants genotypying. J. Microbiol. Biotechnol. Food Sci. 2011;1(4):507-521.

8. Mallory M.A., Hall R.V., McNabb A.R., Pratt D.B., Jellen E.N., Maughan P.J. Development and characterization of microsatellite markers for the grain amaranths. Crop Sci. 2008;48:1098-1106.

9. Mandal N., Das P.K. Intra- and iterspecific genetic diversity in grain amaranthus using random amplified polymorphic DNA markers. Plant Tissue Cult. 2002;12:49-56.

10. Matveeva T.V., Pavlova O.A., Bogomaz D.I., Lutova L.A., Demkovich A.E. Molecular markers for plant species identification and phylogenetics. Ekologicheskaya genetika = Ecological Genetics. 2011;IX(1):32-43. (in Russian)

11. Maughan P.J., Smith S.M., Fairbanks D.J., Jellen E.N. Development, characterization, and linkage mapping of single nucleotide polymorphisms in the grain amaranths (Amaranthus sp.). Plant Gen. 2011;4:92-10.

12. Mujica A., Jacobsen S.E. The genetic resources of Andean grain amaranth (Amaranthus caudatus L., A. cruentus L. and A. hypochondriacus L.) in America. Plant Genet. Res. Newslett. 2011;133:41-44.

13. Murray M.G., Thompson W.F. Rapid isolation of high molecular weight plant DNA. Nucleic Acids Res. 1980;8(19):4321-4325.

14. Nei M., Li W.-H. Mathematical model for studying genetic variation in terms of restriction endonucleases. PNAS USA. 1979;76:52695273.

15. Park Y.-J., Nishikawa T. Rapid identification of Amaranthus caudatus and Amaranthus hypochondriacus by sequencing and PCR–RFLP analysis of two starch synthase genes. Genome. 2012;55:622-628.

16. Park Y.-J., Nishikawa T., Matsushima K., Minami M., Nemoto K. A rapid and reliable PCR-restriction fragment length polymorphism (RFLP) marker for the identification of Amaranthus cruentus species. Breed. Sci. 2014;64:422-426. DOI 10.1270/jsbbs. 64.422.

17. Ranade S.A., Kumar A., Goswamt M., Farooqui N., Sane P.V. Genome analysis of Amaranth: determination of inter- and intra-species variation. J. Biosci. 1997;22(4):457-464.

18. Ray T., Roy S.C. Physical localization of highly nutritional protein coding AmA1 gene in amaranths through molecular cytogenetic tools. Caryologia. 2008;61(3):216-224.

19. Ray T., Roy S.C. Genetic diversity of Amaranthus species from the IndoGangetik plains revealed by RAPD analysis leading to the development of ecotype-specific SCAR marker. J. Hered. 2009;100(3):338-347.

20. Razna K., Ziarovska J., Labajova M. Genome changes in mutant lines of Amaranthus as detected by microsatellite-directed PCR. J. Agricult. Biol. Sci. 2012;7(11):877-884.

21. Riggins C.W., Peng Y., Stewart C.N. Jr, Tranela P.J. Characterization of de novo transcriptome for waterhemp (Amaranthus tuberculatus) using GS-FLX 454 pyrosequencing and its application for studies of herbicide target-site genes. Soc. Chem. Industr. 2010;66:1042-1052.

22. Sauer J.D. Grain amaranth. Ewolution of crop plants. London: Simmonds NW, Longman Group Ltd, 1976;4-7.

23. Sivolap Y.M. Ispol’zovanie PTsR-analiza v genetiko-selektsionnykh issledovaniyakh: Nauchno-metodicheskoe rukovodstvo [Guidelines for using PCR analysis in genetics and breeding]. Kyiv, Agrarna nauka Publ., 1998. (in Russian)

24. Stefunova I.V. Geneticka analyza laskavca (Amaranthus L.) DNA markermi: Autoref. diz. Nitra. 2008.

25. Stefunova V., Bezo M., Ziarovska J., Razna K. Detection of the genetic variability of Amaranthus by RAPD and ISSR markers. Pak. J. Bot. 2015;47(4):1293-1301.

26. Xu F., Sun M. Comparative analysis of phylogenetic relationships of grain amaranths and their wild relatives (Amaranthus; Amaranthaceae) using internal transcribed spacer, amplified fragment length polymorphism, and double-primer fluorescent intersimple sequence repeat markers. Mol. Phylogen. Evol. 2001;21(3):372-387.

27. Zheleznov A.V., Zheleznova N.B., Burmakina N.V., Yudina R.S. Amarant: nauchnye osnovy introduktsii [Amaranth: scientific foundations of introduction]. Novosibirsk: Geo Publ., 2009. (in Russian)