Мультиплексная система микросателлитного анализа для исследования интрогрессии фрагментов a-, b-, c-геномов у видов рода Brassica L. при отдаленной гибридизации

Мультиплексная система микросателлитного анализа для исследования интрогрессии фрагментов a-, b-, c-геномов у видов рода Brassica L. при отдаленной гибридизации

Автор: Анискина Ю.В., Родионова Д.А., Зубко О.Н., Монахос С.Г., Велишаева Н.С., Колобова О.С., Шилов И.А.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Молекулярные технологии

Статья в выпуске: 3 т.55, 2020 года.

Бесплатный доступ

Род Brassica L. - источник масличных, овощных, пряных, кормовых и декоративных культур, широко выращиваемых по всему миру. Большинство культурных растений относятся к трем диплоидным видам B. rapa L. (2 n = 20, геном AA), B. nigra (L.) K. Koch (2 n = 16, BB) и B. oleracea L. (2 n = 18, CC) и трем аллотетраплоидным видам B. juncea (L.) Czern. (2 n = 36, AABB), B. napus L. (2 n = 38, AACC) и B. carinata A. Braun (2 n = 34, BBCC), которые возникли в результате естественной гибридизации диплоидов. Эффективным способом увеличения генетического разнообразия и улучшения агрономических признаков культур Brassica служит отдаленная гибридизация. Для контроля интрогрессии геномного материала при отдаленной гибридизации необходимо применение методов генетического маркирования. В настоящей работе предложен эффективный подход для контроля интрогрессии геномов A, B и C Brassica у растений, полученных в результате межвидовой гибридизации. Впервые выявлены специфичные для A-, B- и C-геномов Brassica микросателлитные маркеры, длина которых определена в системе высокоразрешающего электрофореза с точностью до одного нуклеотида, а также изучена возможность применения этих маркеров для анализа селекционных образцов, полученных в результате межвидовой гибридизации. Целью исследования была разработка высокопроизводительной технологии контроля интрогрессии геномов A, B и C у представителей рода Brassica при отдаленной гибридизации на основе мультиплексного микросателлитного ПЦР-анализа геном-специфичных микросателлитных маркеров. В качестве контрольных образцов исследовали растения, полученные из Центра генетических ресурсов CGN (Centre for Genetic Resources, Нидерланды) и Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР, г. Санкт-Петербург). Растительный материал для анализа интрогрессий был предоставлен сотрудниками ООО Селекционная станция им. Н.Н. Тимофеева (г. Москва). Геномную ДНК получали методом адсорбции на сорбенте. ДНК амплифицировали в ПЦР с праймерами, специфичными для локусов Na10-D09, Na12-A02, Na12-F12, Ni2-B02, Ni2-F02, Ni3-G04B, Ol12-A04, Ra2-E12, BRMS-043, BN6A2. Анализ флуоресцентно меченных ПЦР-фрагментов осуществляли методом высокоразрешающего электрофореза (генетический анализатор Нанофор-05, ООО НРФ «Синтол»-ФГБНУ Институт аналитического приборостроения РАН, Россия). Длину ПЦР-фрагментов устанавливали с помощью программного обеспечения ДНК Фрагментный анализ (ФГБНУ ИАП РАН, Россия). В результате проведенного исследования разработана система для мультиплексного ПЦР-анализа на основе шести микросателлитных локусов (Na12-A02, BRMS-043, Na10-D09, Ol12-A04, Ni2-F02, BN6A2), позволяющая в одну стадию определить наличие маркеров геномов A, B и C у видов рода Brassica . Маркеры, специфичные для геномов A, B и C, были установлены в процессе мультиплексного ПЦР-анализа контрольных образцов Brassica с известной видовой принадлежностью и геномным составом: B. rapa (AA), B. nigra (BB), B. oleracea (CC), B. napus (AACC), B. juncea (AABB), B. carinata (BBCC). Длину маркерных фрагментов определили в системе высокоразрешающего электрофореза на генетическом анализаторе с точностью до одного нуклеотида. Маркеры, специфичные для генома A, выявлены в локусах Na12-A02 (178, 180 и 182 п.н.), BRMS-043 (303, 307 и 313 п.н.), Na10-D09 (283, 285, 291, 293 и 299 п.н.), для генома B - в локусах Na12-A02 (196, 198, 200, 202, 204, 212, 214 и 216 п.н.), Ol12-A04 (125, 127 и 129 п.н.), Ni2-F02 (198, 200, 202, 204 и 208 п.н.), BN6A2 (222 п.н.), для генома C - в локусах Na12-A02 (164, 168 и 170 п.н.), Ni2-F02 (164, 166, 168 и 186 п.н.). С использованием разработанной мультиплексной системы в генетических профилях образцов (Эт2 ½ КК)2 ½ Цв9, (Эт2 ½ КК)1, Грин ½ FBLM(1), JR ½ Агр2ки, БК ½ ЗМ1-1(6), БК ½ ЗМ1-1(8), БК и КБ, полученных в результате отдаленной гибридизации, выявлена интрогрессия фрагментов геномов A, B и/или C . Таким образом, у образцов с известной селекционной историей подтверждено наличие соответствующих геномов. Благодаря автоматизации всех этапов анализа в формате 96-луночного планшета эта технология позволяет осуществлять широкомасштабный скрининг селекционных образцов и может быть внедрена в практику как инструмент контроля интрогрессии A-, B- и C-геномного материала, а также контроля его наследования в последующих поколениях.

Еще

Род brassica, эволюционная модель u, геномы brassica, отдаленная гибридизация, интрогрессия, микросателлитные маркеры, геном-специфичные маркеры

Короткий адрес: https://sciup.org/142226313

IDR: 142226313   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2020.3.510rus

Список литературы Мультиплексная система микросателлитного анализа для исследования интрогрессии фрагментов a-, b-, c-геномов у видов рода Brassica L. при отдаленной гибридизации

  • Warwick S.I., Francis A., Al-Shehbaz I.A. Brassicaceae: Species checklist and database on CD-ROM. Plant Systematics and Evolution, 2006, 259(2-4): 249-258 ( ). DOI: 10.1007/s00606-006-0422-0
  • Morinaga T. Interspecific hybridization in Brassica. IV. The cytology of F1 hybrid of B. juncea and B. nigra. Cytologia, 1934, 6: 62-67 ( ). DOI: 10.1508/cytologia.6.62
  • U N. Genome analysis in Brassica with special reference to the experimental formation of B. napus and peculiar mode of fertilization. Japanese Journal of Botany, 1935, 7: 389-452.
  • Lagercrantz U. Comparative mapping between Arabidopsis thaliana and Brassica nigra indicates that Brassica genomes have evolved through extensive genome replication accompanied by chromosome fusions and frequent rearrangements. Genetics, 1998, 150(3): 1217-1228.
  • Kowalski S.P., Lan T.H., Feldmann K.A., Paterson A.H. Comparative mapping of Arabidopsis thaliana and Brassica oleracea chromosomes reveals islands of conserved organization. Genetics, 1994, 138(2): 499-510.
  • Rana D., van den Boogaart T., O'Neill C.M., Hynes L., Bent E., Macpherson L., Park J.Y., Lim Y.P., Bancroft I. Conservation of the microstructure of genome segments in Brassica napus and its diploid relatives. Plant Journal, 2004, 40(5): 725-733 ( ).
  • DOI: 10.1111/j.1365-313X.2004.02244.x
  • Lagercrantz U., Lydiate D. Comparative genome mapping in Brassica. Genetics, 1996, 144(4): 1903-1910.
  • Zou J., Hu D., Liu P., Raman H., Liu Z., Liu X., Parkin I.A.P., Chalhoub B., Meng J. Co-linearity and divergence of the A subgenome of Brassica juncea compared with other Brassica species carrying different A subgenomes. BMC Genomics, 2016, 17: 18 ( ).
  • DOI: 10.1186/s12864-015-2343-1
  • Jiang C., Ramchiary N., Ma Y., Jin M., Feng J., Li R., Wang H., Long Y., Choi S.R., Zhang C., Cowling W.A., Park B.S., Lim Y.P., Meng J. Structural and functional comparative mapping between the Brassica A genomes in allotetraploid Brassica napus and diploid Brassica rapa. Theoretical and Applied Genetics, 2011, 123(4): 927-941 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00122-011-1637-1
  • Mason A.S., Batley J. Creating new interspecific hybrid and polyploid crops. Trends in Biotechnology, 2015, 33(8): 436-441 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.tibtech.2015.06.004
  • Snowdon R.J. Cytogenetics and genome analysis in Brassica crops. Chromosome Research, 2007, 15(1): 85-95 ( ).
  • DOI: 10.1007/s10577-006-1105-y
  • Katche E., Quezada-Martinez D., Katche E.I., Vasquez-Teuber P., Mason A.S. Interspecific hybridization for Brassica crop improvement. Crop Breeding, Genetics and Genomics, 2019, 1: e190007 ( ).
  • DOI: 10.20900/cbgg20190007
  • Siemens J. Interspecific hybridisation between wild relatives and Brassica napus to introduce new resistance traits into the oilseed rape gene pool. Czech Journal of Genetics and Plant Breeding, 2002, 38(3-4): 155-157 ( ).
  • DOI: 10.17221/6258-CJGPB
  • Chrungu B., Verma N., Mohanty A., Pradhan A., Shivanna K.R. Production and characterization of interspecific hybrids between Brassica maurorum and crop Brassicas. Theoretical and Applied Genetics, 1999, 98(3-4): 608-613 ( ).
  • DOI: 10.1007/s001220051111
  • Lelivelt C.L.C., Krens F.A. Transfer of resistance to the beet cyst nematode (Heterodera schachtii Schm.) into the Brassica napus L. gene pool through intergeneric somatic hybridization with Raphanus sativus L. Theoretical and Applied Genetics, 1992, 83(6-7): 887-894 ( ).
  • DOI: 10.1007/BF00226712
  • Lelivelt C.L.C., Leunissen E.H.M., Frederiks H.J., Helsper J.P.F.G., Krens F.A. Transfer of resistance to the beet cyst nematode (Heterodera schachtii Schm.) from Sinapis alba L. (white mustard) to the Brassica napus L. gene pool by means of sexual and somatic hybridization. Theoretical and Applied Genetics, 1993, 85(6-7): 688-696 ( ).
  • DOI: 10.1007/BF00225006
  • Snowdon R.J., Winter H., Diestel A., Sacristán M.D. Development and characterisation of Brassica napus - Sinapis arvensis addition lines exhibiting resistance to Leptosphaeria maculans. Theoretical and Applied Genetics, 2000, 101(7): 1008-1014 ( ).
  • DOI: 10.1007/s001220051574
  • Yamagishi H., Bhat S.R. Cytoplasmic male sterility in Brassicaceae crops. Breeding Science, 2014, 64(1): 38-47 ( ).
  • DOI: 10.1270/jsbbs.64.38
  • Piao Z., Ramchiary N., Lim Y.P. Genetics of clubroot resistance in Brassica species. Journal of Plant Growth Regulation, 2009, 28(3): 252-264 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00344-009-9093-8
  • Sharma B.B., Kalia P., Singh D., Sharma T.R. Introgression of black rot resistance from Brassica carinata to cauliflower (Brassica oleracea botrytis group) through embryo rescue. Frontiers in Plant Science, 2017, 8: 1255 ( ).
  • DOI: 10.3389/fpls.2017.01255
  • Belimov A.A., Safronova V.I., Demchinskaya S.V., Dzyuba O.O. Intraspecific variability of cadmium tolerance in hydroponically grown Indian mustard (Brassica juncea (L.) Czern.) seedlings. Acta Physiologiae Plantarum, 2007, 29(5): 473-478 ( ).
  • DOI: 10.1007/s11738-007-0057-y
  • Plieske J., Struss D., Röbbelen G. Inheritance of resistance derived from the B-genome of Brassica against Phoma lingam in rapeseed and the development of molecular markers. Theoretical and Applied Genetics, 1998, 97: 929-936 ( ).
  • DOI: 10.1007/s001220050973
  • Navabi Z.K., Parkin I.A.P., Pires J.C., Xiong Z., Thiagarajah M.R., Good A.G., Rahman M.H. Introgression of B-genome chromosomes in a doubled haploid population of Brassica napus ½ B. carinata. genome, 2010, 53(8): 619-629 ( ).
  • DOI: 10.1139/g10-039
  • Abel S., Möllers C., Becker H. Development of synthetic Brassica napus lines for the analysis of "fixed heterosis" in allopolyploid plants. Euphytica, 2005, 46(1-2): 157-163 ( ).
  • DOI: 10.1007/s10681-005-3364-7
  • Srivastava A., Mukhopadhyay A., Arumugam N., Gupta V., Verma J.K., Pental D., Pradhan A.K. Resynthesis of Brassica juncea through interspecific crosses between B. rapa and B. nigra. Plant Breeding, 2004, 123(2): 204-206 ( ).
  • DOI: 10.1046/j.1439-0523.2003.00933.x
  • Narasimhulu S.B., Kirti P.B., Prakash S., Chopra V.L. Resynthesis of Brassica carinata by protoplast fusion and recovery of a novel cytoplasmic hybrid. Plant Cell Reports, 1992, 11(8): 428-432 ( ).
  • DOI: 10.1007/BF00234376
  • Chen S., Nelson M.N., Chèvre A.M., Jenczewski E., Li Z., Mason A.S. Trigenomic bridges for Brassica improvement. Critical Reviews in Plant Sciences, 2011, 30(6): 524-547 ( ).
  • DOI: 10.1080/07352689.2011.615700
  • Монахос Г.Ф., Игнатов А.Н., Джалилов Ф.С. Синтез аллогексаплоида с геномной формулой ААВВСС рода Brassica L. как донора устойчивости к киле и сосудистому бактериозу крестоцветных. Известия ТСХА, 2001, 4: 56-68.
  • Malek M.A., Rahman L., Das M.L., Hassan L., Rafii M.Y., Ismail M.R. Development of hexaploid Brassica (AABBCC) from hybrids (ABC) of Brassica carinata (BBCC) ½ B. rapa (AA). Ausralian Journal of Crop Science, 2013, 7(9): 1375-1382.
  • Zhou J., Tan C., Cui C., Ge X., Li Z. Distinct subgenome stabilities in synthesized Brassica allohexaploids. Theoretical and Applied Genetics, 2016, 129(7): 1257-1271 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00122-016-2701-7
  • Gupta M., Atri C., Agarwal N., Banga S.S. Development and molecular-genetic characterization of a stable Brassica allohexaploid. Theoretical and Applied Genetics, 2016, 129(11): 2085-2100 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00122-016-2759-2
  • Li Q., Mei J., Zhang Y., Li J., Ge X., Li Z., Qian W. A large-scale introgression of genomic components of Brassica rapa into B. napus by the bridge of hexaploid derived from hybridization between B. napus and B. oleracea. Theoretical and Applied Genetics, 2013, 126(8): 2073-2080 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00122-013-2119-4
  • Ma N., Li Z.-Y., Cartagena J. A., Fukui K. GISH and AFLP analyses of novel Brassica Napus lines derived from one hybrid between B. napus and Orychophragmus Violaceus. Plant Cell Reports, 2006, 25(10): 1089-1093 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00299-006-0171-0
  • Монахос С.Г. Интеграция современных биотехнологических методов в селекции овощных культур. Докт. дис. М., 2015.
  • Koh J.C.O., Barbulescu D.M., Norton S., Redden B., Salisbury P.A., Kaur S., Cogan N., Slater A.T. A multiplex PCR for rapid identification of Brassica species in the triangle of U. Plant Methods, 2017, 13(1): 49 ( ).
  • DOI: 10.1186/s13007-017-0200-8
  • Thakur A.K., Singh K.H., Singh L., Nanjundan J., Khan Y.J., Singh D. SSR marker variations in Brassica species provide insight into the origin and evolution of Brassica amphidiploids. Hereditas, 2017, 155: 6 ( ).
  • DOI: 10.1186/s41065-017-0041-5
  • Mason A.S., Nelson M.N., Castello M.C., Yan G., Cowling W.A. Genotypic effects on the frequency of homoeologous and homologous recombination in Brassica napus ½ B. carinata hybrids. Theoretical and Applied Genetics, 2011, 122(3): 543-553 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00122-010-1468-5
  • Clarke W.E., Higgins E.E., Plieske J. et al. A high-density SNP genotyping array for Brassica napus and its ancestral diploid species based on optimised selection of single-locus markers in the allotetraploid genome. Theoretical and Applied Genetics, 2016, 129(10): 1887-1899 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00122-016-2746-7
  • Lowe A.J., Moule C., Trick M., Edwards K.J. Efficient large-scale development of microsatellites for marker and mapping applications in Brassica crop species. Theoretical and Applied Genetics, 2004, 108(6): 1103-1112 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00122-003-1522-7
  • Suwabe K., Iketani H., Nunome T., Kage T., Hirai M. Isolation and characterization of microsatellites in Brassica rapa L. Theoretical and Applied Genetics, 2002, 104(6-7): 1092-1098 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00122-002-0875-7
  • Kresovich S., Szewc-McFadden A.K., Bliek S.M., McFerson J.R. Abundance and characterisation of simple-sequence repeats (SSRs) isolated from a size-fractionated genomic library of Brassica napus L. (rapeseed). Theoretical and Applied Genetics, 1995, 91(2): 206-211 ( ).
  • DOI: 10.1007/BF00220879
  • Plieske J., Struss D. Microsatellite markers for genome analysis in Brassica. I. Development in Brassica napus and abundance in Brassicaceae species. Theoretical and Applied Genetics, 2001, 102(5): 689-694 ( ).
  • DOI: 10.1007/s001220051698
  • Hasan M., Seyis F., Badani A.G., Pons-Kühnemann J., Friedt W., Lühs W., Snowdon R.J. Analysis of genetic diversity in the Brassica napus L. gene pool using SSR markers. Genetic Resources and Crop Evolution, 2006, 53(4): 793-802 ( ).
  • DOI: 10.1007/s10722-004-5541-2
  • Tommasini L., Batley J., Arnold G.M., Cooke R.J., Donini P., Lee D., Law J.R., Lowe C., Moule C., Trick M., Edwards K.J. The development of multiplex simple sequence repeat (SSR) markers to complement distinctness, uniformity and stability testing of rape (Brassica napus L.) varieties. Theoretical and Applied Genetics, 2003, 106(6): 1091-1101 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00122-002-1125-8
  • Дубина Е.В., Королева С.В., Гаркуша С.В., Юрченко С.А., Есаулова Л.В. Разработка методической схемы оценки гибридности семян F1 Brаssiса olеrасеа L., основанной на полиморфизме микросателлитных ДНК-маркеров. Достижения науки и техники ΑΠΚ, 2016, 30(8): 49-51.
  • Suwabe K., Tsukada H., Iketani H., Hatakeyama K., Fujimura M., Nunome T., Fukuoka H., Matsumoto S., Hirai M. Identification of two loci for resistance to clubroot (Plasmodiophora brassicae Wornin) in Brassica rapa L. Theoretical and Applied Genetics, 2003, 107(6): 997-1002 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00122-003-1309-x
  • Kato T., Hatakeyama K., Fukino N., Matsumoto S. Fine mapping of the clubroot resistance gene CRb and development of a useful selectable marker in Brassica rapa. Breeding Science, 2013, 63(1): 116-124 ( ).
  • DOI: 10.1270/jsbbs.63.116
  • Артемьева А.М., Игнатов А.Н., Волкова А.И., Кочерина Н.В., Коноплева М.Н., Чесноков Ю.В. Физиолого-генетические компоненты устойчивости к сосудистому бактериозу у линий удвоенных гаплоидов Brassica rapa L. Сельскохозяйственная биология, 2018, 53(1): 157-169 ( ).
  • DOI: 10.15389/agrobiology.2018.1.157rus
  • Шилов И.А. Применение технологии микросателлитного анализа ДНК в растениеводстве. В сб.: Проблемы агробиотехнологии. М., 2012: 140-162.
  • Анискина Ю.В. Технология генотипирования культурных и дикорастущих форм Brassica на основе анализа полиморфизма микросателлитов. Автореф. канд. дис. М., 2006.
  • Анискина Ю.В., Велишаева Н.С., Шилов И.А., Хавкин Э.Е. Генотипирование пасленовых и крестоцветных растений методом микросателлитного анализа. Метод. реком. М., 2005.
  • Mason A.S., Zhang J., Tollenaere R., Vasquez Teuber P., Dalton-Morgan J., Hu L., Edwards D., Redden R., Batley J. High-throughput genotyping for species identification and diversity assessment in germplasm collections. Molecular Ecology Resources, 2015, 15(5): 1091-1101 ( ).
  • DOI: 10.1111/1755-0998.12379
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp