научная статья по теме СИНТЕНИЯ ХРОМОСОМ ГЕНОМА А ДВУХ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ЛИНИЙ ПШЕНИЦЫ Биология

Текст научной статьи на тему «СИНТЕНИЯ ХРОМОСОМ ГЕНОМА А ДВУХ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ЛИНИЙ ПШЕНИЦЫ»

ГЕНЕТИКА, 2009, том 45, № 11, с. 1548-1555

= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ =

УДК 575.2:582.542.1

СИНТЕНИЯ ХРОМОСОМ ГЕНОМА А ДВУХ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ЛИНИЙ ПШЕНИЦЫ

© 2009 г. О. Б. Добровольская1, П. Сурдий2, М. Бернард2, Е. А. Салина1

1Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск 630090;

e-mail: salina@bionet.nsc.ru 2Националъный институт сельскохозяйственных исследований Франции, Клермон-Ферран 63100, Франция Поступила в редакцию 15.12.2008 г.

Окончательный вариант получен 06.05.2009 г.

Для оценки синтении геномов At и А полиплоидных пшениц, относящихся к разным эволюционным линиям (Timopheevi и Emmer), было проведено насыщение молекулярными маркерами хромосомных карт генома At Triticum timopheevii. Всего было использовано 179 EST-SSR и 48 геномных SSR-маркеров, из которых в хромосомные карты генома At было интегрировано 13 и 7 маркеров соответственно. Показано, что для EST-SSR характерен более высокий уровень перекрестной амплификации и более низкий уровень полиморфизма, чем для геномных SSR-маркеров. Полученные хромосомные карты сравнивали с картами гомеологичной группы хромосом генома А T. aestivum. Нарушения колинеарности, т.е. порядка расположения маркеров в пределах сегментов хромосом, на которых они были картированы, не наблюдались. Оценка числа маркеров, амплифицирующихся в гомеологичных хромосомах, показала, что из изученных семи хромосом геномов At и A две группы - 4At/4A и 3 At/3 A - имеют наибольший уровень дивергенции. Сравнение результатов молекуляр-но-генетического картирования с литературными данными, полученными при изучении мейоза гибридов F1 и частоты замещений хромосом у интрогрессивных линий T. aestivum х T. timopheevii, свидетельствуют о различном характере эволюции индивидуальных хромосом геномов At и A. Основной вклад в дивергенцию хромосом 4At/4A и 6At/6A внесли транслокации, а в дивергенцию хромосом гомеологичной группы 3 - мутации первичной структуры ДНК. Уровень реорганизации остальных хромосом в процессе эволюции геномов At и A был существенно ниже.

В середине 80-х годов, когда RFLP-aнaлиз был впервые использован для характеристики генома растений, стало ясно, что возможность применения RFLP проб для широкого круга растительных объектов позволит более детально изучить синте-нию (сходство групп сцепления у организмов, относящихся к разным таксономическим группам) геномов растений. Первые исследования в этом направлении показали, что консервативность в порядке генов и их окружения сохраняется на протяжении длительного эволюционного периода. Так, например, было продемонстрировано сходство хромосомных карт томата и картофеля [1] и идентичность порядка генов в гомеологичных хромосомах трех диплоидных геномов мягкой пшеницы [2]. В последующее десятилетие с помощью сравнительного картирования было показано, что у видов Poaceae, дивергировавших свыше 65 миллионов лет назад, сохранилась высокая консервативность в порядке расположения генов и маркеров (колинеарность) [3-5]. На основании этих данных была предложена "кольцевая" модель, в центре которой расположен наименьший злаковый геном (геном риса) [6]. Эта модель легла в основу гипотезы о базовой организации предкового злакового

генома и позволила установить колинеарность геномов, различающихся по числу хромосом.

Построение карт протяженностью более 150 сМ для одной хромосомы, а также кластеризация маркеров вокруг центромерной области выявили ряд недостатков молекулярно-генетиче-ского картирования - несоответствие между генетическими и физическими расстояниями между маркерами. Кроме того, проблемой являлось также то, что картировать можно только те маркеры, которые выявляют полиморфизм между родительскими формами, вовлекаемыми в скрещивание. В связи с этим возникали трудности при нанесении на карту маркеров, разрабатываемых, например, для кодирующих областей генов.

Новым этапом в сравнительном анализе генома злаковых культур стало создание коллекций перекрывающих делеционных линий [7, 8], послуживших основой для построения физических карт хромосом и их насыщению экспрессирую-щимися последовательностями ДНК (EST), а также геномными последовательностями в составе ВАС клонов, разработанных в последнее пятилетие для ряда видов пшениц [9-11].

1548

Результаты этих работ для злаковых культур можно суммировать следующим:

1. Скорость рекомбинационных процессов различна в проксимальных и дистальных районах хромосом. Низкая скорость рекомбинации в цен-тромерных и высокая - в дистальных районах хромосом приводит к уплотнению маркеров в районе центромеры и увеличению расстояния между маркерами в дистальных районах хромосом.

2. Расположение генных локусов по хромосоме неравномерно, они концентрируются в определенных районах; частота встречаемости областей, насыщенных генами, увеличивается к тело-мерному концу хромосомы.

3. Обнаружено нарушение колинеарности в ряде районов хромосом, которое вызвано транслокациями и инверсиями хромосом; дупликациями и делециями отдельных локусов в геноме. Количество дуплицированных локусов увеличивается к теломерным областям хромосомы, что указывает на возможную связь этих процессов с частотой мейотической рекомбинации. Отмечается, что нарушение колинеарности могло быть связано с активацией мобильных элементов в процессе эволюции [11].

Пшеницы групп Timopheevi и Emmer относятся к двум эволюционным линиям пшеницы, которые, как считается, образовались путем гибридизации предковых форм диплоидных видов ТгШ-cum urartu и Aegilops speltoides в разное время [12, 13]. Есть объективные данные, указывающие на то, что дикорастущая пшеница группы Emmer (Т. dicoccoides, геномная формула BBAA) появилась более 500 тыс. лет назад, в то время как T. araraticum (геномная формула GGAtAt) -дикая форма пшениц группы Timopheevi - более молодой вид, насчитывающий менее 300 тыс. лет [14]. Наиболее адекватную оценку синтении геномов пшениц двух эволюционных линий можно получить при сравнении хромосомных карт видов, входящих в эти группы. Картирование хромосом с использованием молекулярных маркеров в основном проводилось для полиплоидных пшениц группы Emmer. Хромосомные карты T. Ы-mopheevii были построены нами в 2006 г., однако для ряда хромосом, в том числе и для генома насыщение маркерами было недостаточным [15].

Целью настоящей работы было использование разработанных в последнее время различных типов микросателлитных маркеров T. aestivum для насыщения существующих хромосомных карт T. timopheevii и оценки колинеарности хромосом геномов A и At двух эволюционных линий пшениц. Кроме того, было проведено изучение дивергенции микросателлитных локусов, локализованных в этих геномах.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве растительного материала использовали картирующие популяции F2, полученные от скрещиваний T. timopheevii var. timopheevii х T. ti-mopheevii var. typica (I) и T. timopheevii K-38555 х х T. militinae (II) [15]. Каждая популяция состояла из 74 растений.

Для насыщения сконструированных ранее мо-лекулярно-генетических карт хромосом генома At T. timopheevii [15] использовали 179 EST (expressed sequence tags) SSR-маркеров мягкой пшеницы, EST-GPW ([16], Sourdille, неопубликованные данные]), CFE [17], KSUM, CNL [18]. Кроме того, в анализ были включены 48 геномных (выделенных при клонировании геномной ДНК) SSR-маркеров мягкой пшеницы [16], GPW, локализованных в A-геноме мягкой пшеницы или дающих продукты амплификации с неустановленной локализацией в геноме. Вся необходимая информация об использованных микросателлитных маркерах доступна на сайте http://www.gram-genes.org. Информация о неопубликованных маркерах может быть выслана по запросу.

В работе также был использован банк данных по GWM маркерам, созданный в ходе картирования генома T. timopheevii [15].

Полимеразную цепную реакцию (ПЦР) проводили на образцах суммарной ДНК, ранее выделенных из индивидуальных растений картирующих популяций F2 [15], согласно протоколу Ни-кот и соавт. [16]. Разделение фрагментов ПЦР выполняли на автоматическом секвенаторе ABI PRISM 3100 Genetic Analyzer (Applied Biosystems, Foster City, Calif.). Размер фрагментов рассчитывали с помощью компьютерной программы ABI GeneScan, версия 2.1, разработанной компанией Applied Biosystems.

Новые микросателлитные локусы интегрировали в ранее сконструированные хромосомные карты генома At T. timopheevii [15] с применением компьютерной программы MAPMAKER/EXP ver. 3.0b [19], используя картирующую функцию Ко-самби [20] при LOD > 3.00.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Насыщение хромосомных карт А'-генома T. timopheevii маркерами EST-SSR и SSR

В отличие от геномных микросателлитов, большинство из которых локус-специфичны, у полиплоидных видов маркеры EST- SSR часто ам-плифицируются в ортологичных локусах различных геномов [17]. В связи с этим сначала мы проверили 179 пар праймеров, разработанных к содержащим микросателлитные повторы EST последовательностям T. aestivum, на эффектив-

Амплификация EST-SSR- и SSR-маркеров генома А T. aestivum на ДНК T. timopheevii

Хромосома Число маркеров T. aestivum Амплификация маркеров в геноме T. timopheevii, число/% Полиморфные маркеры, число/% от амплифицирующихся

1А/1Л1 28 + 4EST 24 + 4est/86% (EST- 100%) 14 + 0EST/60% (EST- 0%)

2А/2Л1 41 + 3EST 33 + 3est/80% (EST- 100%) 16 + 1est/49% (EST- 33%)

3А/3Л1 28 + 3EST 18 + 3est/64% (EST- 100%) 10 + 1est/56% (EST- 33%)

4А/4Л1 36 + 5EST 22 + 1EST/61% (EST- 20%) 10 + 0est/45% (EST- 0%)

5А/5Л1 37 + 4est 32 + 4est/86% (EST- 100%) 20 + 1EST/63% (EST- 25%)

6А/6Л1 22 + 5EST 21 + 2est/95% (EST- 40%) 10 + 0est/48% (EST- 0%)

7А/7Л1 35 + 4EST 29 + 3est/82% (EST- 75%) 13 + 0est/45% (EST- 0%)

ность их использования для насыщения хромосомных карт А^генома T. timopheevii. Применяли либо монолокусные, либо мультилокусные маркеры, большая часть которых (105) картирована ранее в геноме A. Уровень перекрестной амплификации EST-SSR-мaркеров (отношение количества маркеров, амплифицирующихся по меньшей мере у одного из родителей картирующих популяций, к общему числу использованных маркеров, выраженное в процентах) составил 93.9%. Моноло

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.

Показать целиком