ГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙ
УДК 575.17:582.52/.59
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОЛИПЛОИДНЫХ ГЕНОМОВ МЯТЛИКОВ (Poa L.) И ФЕНОМЕН ПОТОКА ГЕНОВ МЕЖДУ СЕВЕРНОЙ ПАЦИФИКОЙ И СУБАНТАРКТИЧЕСКИМИ ОСТРОВАМИ
© 2010 г. А. В. Родионов1, Н. Н. Носов1, Е. С. Ким1, Э. М. Мачс1, Е. О. Пунина1, Н. С. Пробатова2
Учреждение Российской академии наук Ботанический институт им. В.Л. Комарова, Санкт-Петербург 197376;
e-mail: avrodionov@mail.ru 2Учреждение Дальневосточного отделения Российской академии наук Биолого-почвенный институт, Владивосток 690022; e-mail: probatova@ibss.dvo.ru Поступила в редакцию 18.07.2008 г.
Окончательный вариант получен 29.04.2010 г.
Путем сравнительного анализа последовательностей внутренних транскрибируемых спейсеров ITS1 и ITS2 и гена 5.8S рРНК исследовано участие современных диплоидных видов мятликов в формировании геномов полиплоидов. Показано, что высокополиплоидные новозеландские мятлики P. cita (2n = 84, ок. 96—100), P. chathamica (2n = 112) и P. litorosa (2n = 263—266) формируют отдельную, хорошо поддержанную кладу с тетраплоидами (2n = 28) P. intrusa, P. anceps и P. triodioides (Aus-trofestuca littoralis). Из диплоидных видов (2n = 14) к этим видам и полиплоидным видам секции Poa ближе всего геномы евразиатских видов P. remota, P. chaixii (sect. Homalopoa), P. densa (Bolbophorum) и P. sibirica (sect. Macropoa). Ядерный геном полиплоидных Stenopoa, Tichopoa, Oreinos и Secundae определенно родственен диплоидному геному арктического вида P. pseudoabbreviata (sect. Abbrevia-tae). Наоборот, судя по генам ядерной 45S рРНК, геномы диплоидов P. trivialis (sect. Pandemos), P. annua и P. supina (оба sect. Ochlopoa) лишь отдаленно родственны геномам высокополиплоидных видов (р-distance между ними и остальными мятликами разных секций подрода Poa 6—10% и 11 — 15% соответственно). Выводы о родстве высокополиплоидных и диплоидных мятликов проверены путем анализа синапоморфий в гене 5.8S рРНК. Установлено, что геномы видов Poa eminens (2n = 42) и P. schischkinii (2n = 70) (оба sect. Arctopoa) заметно отличаются по ITS от геномов представителей типового подрода Poa. Сравнение ITS Arctopoa показало, что различия между ними составляют всего 0.2%, в то время какp-расстояния между ITS Arctopoa и ITS видов других секций рода Poa варьирует от 5 до 14%. Южноамериканский вид P. chonotica (sect. Andinae) (=Nicoraepoa chonotica) (2n = 42) оказался родственным с Arctagrostis, Festucella и Hookerochloa, но далеко отстоит от других видов рода Poa. Полиморфные по числам хромосом высокополиплоидные виды Северного полушария P. arctica (2n = 42—106), P. turneri (2n = 42, 63—64) и P. smirnovii (2n = 42, 70) (sect. Malacanthae) родственны большой группе тетраплоидных (2n = 28) эндемичных видов мятликов Новой Зеландии и субантарктических островов (P. novae-zelandiae и круг его родства).
Полиплоидизация — магистральный путь эволюции геномов растений. Еще недавно считалось, что от 30—35 до 70% видов цветковых растений — полиплоиды, появившиеся в результате увеличения числа копий исходного родительского генома (автополиплоиды) или в результате гибридизации и последующего удвоения гибридного кариотипа (амфиполиплоиды, аллополиплои-ды) [1]. Геномные исследования последнего времени показали, что полиплоиды распространены в природе еще шире: многие виды, кариоти-пы которых в метафазе митоза и мейоза выглядят как диплоидные и которые в процессах мейоти-ческих делений ведут себя как диплоиды, в действительности представляют собой сегментные полиплоиды. Такие полиплоиды получили название палеополиплоидов [2]. С учетом палеополип-
лоидов можно считать, что предки не менее 90% видов современных цветковых растений прошли один или несколько раундов полиплоидизации
[1-3].
С другой стороны, новые полиплоидные растения, возникшие в ходе эксперимента или спонтанно, генетически нестабильны, их геном претерпевает множественные и разнообразные реорганизации, как эпигенетические, так и на уровне первичной структуры последовательностей ДНК. Такие "новые" полиплоиды, находящиеся в состоянии конфликта геномов, принято выделять в особый тип неополиплоидов [4]. Неополиплоиды постепенно превращаются в относительно стабильные типичные авто- и аллополиплоиды (предлагаем для этой стадии термин "эуполипло-иды"). В результате хромосомных перестроек эу-
1598
полиплоиды со временем трансформируются в палеополиплоиды.
Объекты нашего исследования — мятлики (род Poa) разного уровня плоидности. Геномы Poa, с эволюционной точки зрения, очень совершенные, креативные генетические конструкции, благодаря которым мятлики активно вовлечены в процессы видообразования и освоения новых экологических ниш [5—12]. Предковые, неспециализированные формы мятликов были диплоида-
ми с n = 7 [5], однако около 80% видов современных мятликов — эуполиплоиды [6], причем среди последних сравнительно много гекса- и декапло-идов, а у одного вида, P. litorosa, в кариотипе 38 субгеномов (2n = 263—266) [10—12] — это наибольшее известное число хромосом в кариотипе видов семейства Poaceae [6, 7, 9, 15—17].
Целью нашего исследования было установить, геномы каких из современных диплоидных видов мятликов могли принимать участие в формировании геномов полиплоидных видов Poa, в том числе видов с высокими уровнями плоидности. Для этого мы провели сравнение внутренних транскрибируемых спейсеров ITS1 и ITS2 и последовательностей 5.8S рРНК ядерных генов 45S рРНК высокополиплоидных и диплоидных видов Poa. Эти последовательности были выбраны нами в качестве маркеров, так как для ITS характерны, с одной стороны, высокая межвидовая изменчивость [18—27], с другой — низкий внутригеном-ный полиморфизм, связанный с изогенизацией ITS-последовательностей благодаря конверсии или механизму "рождение-и-смерть" ("birth-and-death"), при котором некоторые последовательности рДНК одного из родителей претерпевают множественные дупликации и сохраняются в качестве многократно представленных в геноме функциональных генов, другие теряются или под действием мутаций превращаются в псевдогены [25, 27]. Последовательности 5.8S рРНК, напротив, высококонсервативны, мутации в них закрепляются редко и потому они могут содержать замены, которые могут служить синапоморфны-ми признаками, позволяющими верифицировать филогенетические гипотезы.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Нами секвенирован участок ITS 1—ген 5.8S рРНК—П^2 25 видов Poa с разными уровнями плоидности. Кроме того, в анализ взяты все имеющиеся в GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Gen-bank) последовательности этого района для Poa (табл. 1), а также секвенированные нами и имею-
1 Точнее — кариологически выглядящими как диплоиды па-леополиплоидами, поскольку общий предок всех злаков, как следует из данных сравнительных геномных исследований, был тетраплоидом с 2п около 10—12 [13, 14].
щиеся в Генбанке последовательности ITS Arcta-grostis latifolia (R. Br.) Griseb. EU093029 и QKS-23 (наши данные), Arctophila fulva (Trin.) Anderss. AY237831 [21]; Avena longiglumis Dur. AY522436 -наши данные; Catabrosa aquatica (L.) Beauv. EF577510 — наши данные; C. capusii Franch. — наши данные; Catabrosella subornata E.B. Alexeev — наши данные; C. variegata (Boiss.) Tzvel. AY862811 — наши данные; Cinna latifolia (Trev.) Griseb. — наши данные; Colpodium versicolor (Stev.) Schmalh. — наши данные; Dupontia fisheri R. Br. — AY237874 [21]; Festuca kryloviana Reverd. — наши данные; Festucella eri-opoda (Vickery) E.B. Alexeev AY559122 [22]; Hook-erochloa hookeriana (F. Muell. ex Hook. f.) E. Alexeev, AY559123 [22]; Hyalopoa lanatiflora (Roshev.) Tzvel. (Poa lanatiflora Roshev.) — наши данные; H. pontica (Bal.) Tzvel. (Poa capillipes Somm. et Lev.) — наши данные; Paracolpodium altaicum (Trin.) Tzvel. EF432735 — наши данные; Phippsia concinna (Th.Fr.) Lindeb. EU093028 — наши данные; Zinge-ria biebersteiniana (Claus.) P. Smirn. DQ910765 — наши данные.
Выделение геномной ДНК проводили по методу Doyle и Doyle [34]. Для амплификации использовали праймеры ITS1P [35] и ITS4 [36]. Параметры циклов ПЦP-aмплификaции: денатурация 10 мин 940С; 35 циклов амплификации: 1 мин 940С; 1 мин 480С; 1 мин 720С; заключительная элонгация 10 мин 720С. Для секвенирования использовался Big Dye Terminator Kit v.2.0 (PerkinElmer Life Sciences, Inc., USA) и секвенатор ABI Prizm 377 (Applied Biosystems, UK) на базе "Хеликс" и "Амбер" (Санкт-Петербург, Pоссия). Выравнивание последовательностей и анализ матрицы данных выполняли с помощью пакета программ MEGA 4.0 [37], для расчета расстояний использовали показатели Kimura 2 и p-distance. Возможные вторичные структуры PHK рассчитывали с помощью программы RNA Structure 3.1 [38], доступной на сервере http://mfold.bio-info. rpi.edu/cgi-bin/rna-form1.cgi. При этом мы учитывали, что около 20 нуклеотидов 3'-конца молекулы 5.8S рPHК и 38 5'-терминальных нуклеоти-дов этой молекулы у всех эукариот и прокариот взаимодействуют с 26S рPHК, формируя двуните-вые структуры (спирали) [39, 40].
PЕЗУЛЬTATЫ
Анализ секвенированных нами и имеющихся в базах данных последовательностей показывает, что длина гена 5.8S рPHК у мятликов 162 пн. Длина ITS1 составляет 216—219 пн. Длина ITS2 — 210—213 пн. Поскольку 5.8S рДНК изменяется в ходе дивергенции таксонов очень медленно, а ITS-последовательности — очень быстро, мы анализировали ITS и гены 5.8S рPHК раздельно.
Внутривидовая изменчивость ITS у Poa незначительна — ^-distance между исследованными образцами одного вида Poa из географически уда-
Таблица 1. Исследованные полиплоидные и диплоидные виды Poa
Вид Секция или группа Число хромосом в кариотипе (2n) Номер в GenBank
P. abbreviata R. Br. Abbreviatae 42, 70, 76 [9, 15-17] AY237835 [21]
P. acicularifolia J. Buch. subsp. New Zealand B 28 [11, 12] AY686667 [28]
acicularifolia
P. alpigena (Blytt) Lindman Poa 28, 32, 35, 42, 48, 50, 53, 56, 60, АУ237834, АУ237833
62-65, 67, ca. 68-74, 76-79, 82, 84, [21] и наши данные
86, 88, 89, 92, 94, 127 [9, 15-17]
P. alpina L. var. alpina Alpinae 14, 22, 23, 26-46, 56, 61, 74 [9, 1517] АУ237837 [21]
P. alpina var. vivpara (L.) Tzvel. Alpinae ' i 22-28, 31, 32-52 [17] AY237836
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.