Анализ полиморфизма экзона-4 гена VERNALIZATION-A1 у видов полиплоидной пшеницы

Одними из ключевых генов в селекции пшеницы, влияющих на адаптивность и урожайность культуры, являются гены VRN1. В недавних исследованиях установлена ассоциация полиморфизма нуклеотидной последовательности четвертого экзона гена VRN-A1 с вариабельностью количественных показателей ряда агрономически ценных признаков озимой пшеницы, таких как чувствительность к продолжительности яровизации, морозостойкость, время выхода в трубку и время колошения. Однако эти исследования были выполнены на ограниченном количестве сортов T. aestivum и не охватывали другие виды полиплоидной пшеницы. В ранних исследованиях не предполагалось наличия более чем одной копии гена VRN-A1 на геном. Кроме того, только недавно было показано, что ген VRN-D4 отличается от VRN-A1 всего по нескольким однонуклеотидным мутациям. В настоящей работе проанализировано распределение гаплотипов экзона-4 гена VRN-A1 в 158 образцах 6 видов тетраплоидной и 5 видов гексаплоидной пшеницы, несущих различные аллели этого гена. Для идентификации гаплотипов экзона-4 гена VRN-A1 был разработан кодоминантный маркер, основанный на модуляции кривизны молекул ДНК. Полиморфизм экзона-4 выявлен исключительно в гексаплоидной пшенице и ассоциирован с наличием не менее чем двух копий гена VRN-A1 в геноме. За исключением одного образца, мутантный тип экзона-4 встречался только в комбинации с диким типом. Разработаны аллель-специфические праймеры, благодаря которым, в отличие от существующих методов, можно исключить гаплотипы гена VRN-D4 в ходе анализа гаплотипов VRN-A1. В результате расширения анализируемого участка идентифицированы дополнительные гаплотипы, ассоциированные с полиморфизмом адениновых трактов в интроне-4. При этом получено расщепление по гаплотипу среди образцов, характеризующихся только одним, диким, типом экзона-4 VRN-A1, а также доминантных аллелей этого гена. На основании установленных ассоциаций между гаплотипом и аллельным вариантом гена VRN-A1 в тетраплоидной пшенице вида Triticum dicoccum идентифицирован новый, предположительно доминантный, аллель этого гена (обозначен Vrn-A1k), несущий 42 п.н. инсерцию в области промотора.

пшеница, ген VRN-A1, полиморфизм экзона 4, гаплотипы

1. Chen F., Gao M., Zhang J., Zuo A., Shang X., Cui D. Molecular characterization of vernalization and response genes in bread wheat from the Yellow and Huai Valley of China. BMC Plant Biol. 2013;13:199. DOI 10.1186/1471-2229-13-199.

2. Chen Y., Carver B.F., Wang S., Zhang F., Yan L. Genetic loci associated with stem elongation and winter dormancy release in wheat. Theor. Appl. Genet. 2009;118(5):881-889. DOI 10.1007/s00122-008-0946-5.

3. Danyluk J., Kane N.A., Breton G., Limin A.E., Fowler D.B., Sarhan F. TaVRT-1, a putative transcription factor associated with vegetative to reproductive transition in cereals. Plant Physiol. 2003;132(4):1849-1860. DOI 10.1104/pp.103.023523.

4. Dhillon T., Pearce S.P., Stockinger E.J., Distelfeld A., Li C., Knox A.K., Vashegyi I., Vágújfalvi A., Galiba G., Dubcovsky J. Regulation of freezing tolerance and flowering in temperate cereals: the VRN-1 connection. Plant Physiol. 2010;153(4):1846-1858. DOI 10.1104/pp.110.159079.

5. Díaz A., Zikhali M., Turner A.S., Isaac P., Laurie D.A. Copy number variation affecting the Photoperiod-B1 and Vernalization-A1 genes is associated with altered flowering time in wheat (Triticum aestivum). PLoS ONE. 2012;7(3):e33234. DOI 10.1371/journal.pone.0033234.

6. Diekmann S. Analyzing DNA curvature in polyacrylamide gels. Methods Enzymol. 1992;212:30-46. DOI 10.1016/0076-6879(92) 12004-A.

7. Doyle J.J., Doyle J.L. A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue. Phytochem. Bull. 1987;19:11-15.

8. Eagles H.A., Cane K., Trevaskis B. Veery wheats carry an allele of Vrn-A1 that has implications for freezing tolerance in winter wheats. Plant Breeding. 2011;130:413-418. DOI 10.1111/j.1439-0523.2011.01856.x.

9. Fu D., Szucs P., Yan L., Helguera M., Skinner J., Hayes P., Dubcovsky J. Large deletions within the first intron in VRN-1 are associated with spring growth habit in barley and wheat. Mol. Gen. Genomics. 2005;273(4):54-65. DOI 10.1007/s00438-004-1095-4.

10. Kippes N., Debernardi J.M., Vasquez-Gross H.A., Akpinar B.A., Budak H., Kato K., Chao S., Akhunov E., Dubcovsky J. Identification of the VERNALIZATION 4 gene reveals the origin of spring growth habit in ancient wheats from South Asia. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015;112(39):E5401-E5410. DOI 10.1073/pnas.1514883112.

11. Koo H.S., Crothers D.M. Calibration of DNA curvature and a unified description of sequence-directed bending. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1988;85:1763-1767.

12. Koo H.S., Wu H.M., Crothers D.M. DNA bending at adenine-thymine tracts. Nature. 1986;320(6062):501-506. DOI 10.1038/320501a0.

13. Li G., Yu M., Fang T., Cao S., Carver B.F., Yan L. Vernalization requirement duration in winter wheat is controlled by TaVRN-A1 at the protein level. Plant J. 2013;76(5):742-753. DOI 10.1111/tpj.12326.

14. Liu J., Huang S., Sun M., Liu S., Liu Y., Wang W., Zhang X., Wang H., Hua W. An improved allele-specific PCR primer design method for SNP marker analysis and its application. Plant Methods. 2012; 8(1):34. DOI 10.1186/1746-4811-8-34.

15. Lupas A., Van Dyke M., Stock J. Predicting coiled coils from protein sequences. Science. 1991;252(5009):1162-1164. DOI 10.1126/science.252.5009.1162.

16. Marini J.C., Levene S.D., Crothers D.M., Englund P.T. Bent helical structure in kinetoplast DNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1982; 79(24):7664-7668.

17. Muterko A., Kalendar R., Cockram J., Balashova I. Discovery, evaluation and distribution of haplotypes and new alleles of the Photoperiod-A1 gene in wheat. Plant Mol. Biol. 2015;88(1-2):149-164. DOI 10.1007/s11103-015-0313-2.

18. Muterko A., Kalendar R., Salina E. Novel alleles of the VERNALIZATION1 genes in wheat are associated with modulation of DNA curvature and flexibility in the promoter region. BMC Plant Biol. 2016; 16(1):9. DOI 10.1186/s12870-015-0691-2.

19. Santelli E., Richmond T.J. Crystal structure of MEF2A core bound to DNA at 1.5 A resolution. J. Mol. Biol. 2000;297(2):437-449. DOI 10.1006/jmbi.2000.3568.

20. Treisman R. The serum response element. Trends Biochem. Sci. 1992; 17(10):423-426. DOI 10.1016/0968-0004(92)90013-Y.

21. Würschum T., Boeven P.H., Langer S.M., Longin C.F., Leiser W.L. Multiply to conquer: Copy number variations at Ppd-B1 and Vrn-A1 facilitate global adaptation in wheat. BMC Genet. 2015;29:16-96. DOI 10.1186/s12863-015-0258-0.

22. Yan L., Fu D., Li C., Blechl A., Tranquilli G., Bonafede M. The wheat and barley vernalization gene VRN3 is an orthologue of FT. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006;103(51):19581-19586. DOI 10.1073/pnas.0607142103.

23. Yan L., Helguera M., Kato K., Fukuyama S., Sherman J., Dubcovsky J. Allelic variation at the VRN1 promoter region in polyploid wheat. Theor. Appl. Genet. 2004a;109(8):1677-1686. DOI 10.1007/s00122-004-1796-4.

24. Yan L., Li G., Yu M., Fang T., Cao S., Carver B.F. Genetic mechanisms of vernalization requirement duration in winter wheat cultivars. Advances in Wheat Genetics: From Genome to Field. Eds. Y. Ogihara, S. Takumi, H. Handa. 2015;13:117-125. DOI 10.1007/978-4-431-55675-6_13.

25. Yan L., Loukoianov A., Blechl A., Tranquilli G., Ramakrishna W., SanMiguel P., Bennetzen J., Echenique V., Dubcovsky J. The wheat VRN2 gene is a flowering repressor down-regulated by vernalization. Science. 2004b;303(5664):1640-1644. DOI 10.1126/science.1094305.

26. Yan L., Loukoianov A., Tranquilli G., Helguera M., Fahima T., Dubcovsky J. Positional cloning of the wheat vernalization gene VRN1. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003;100(10):6263-6268. DOI 10.1073/pnas.0937399100.

27. Yang Y., Jack T. Defining subdomains of the K domain important for protein-protein interactions of plant MADS proteins. Plant Mol. Biol. 2004;55:45-59. DOI 10.1007/s11103-004-0416-7.

28. Zhang X., Gao M., Wang S., Chen F., Cui D. Allelic variation at the vernalization and photoperiod sensitivity loci in Chinese winter wheat cultivars (Triticum aestivum L.). Front. Plant Sci. 2015;6:470. DOI 10.3389/fpls.2015.00470.