Використання ділянки IGS 5S рДНК для ДНК-баркодингу та молекулярної таксономії двох українських видів роду Tulipa L.

  • Ю. О. Тинкевич Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича Україна, 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2
  • Н. М. Рошка Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича Україна, 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2
  • Е. Е. Тімканич Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича Україна, 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2
  • І. І. Мойсієнко Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича Україна, 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2; Херсонський державний університет Україна, 73000, м. Херсон, вул. Університетська, 27
  • Р. А. Волков Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича Україна, 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2
DOI: https://doi.org/10.7124/visnyk.utgis.21.1-2.1596
Ключові слова: генетичний поліморфізм, біорізноманіття, молекулярна філогенія та таксономія, молекулярні маркери, Tulipa sylvestris

Анотація

Мета. Дослідити організацію та еволюцію ділянки ядерного геному IGS 5S рДНК чотирьох близькоспоріднених таксонів Tulipa, а також оцінити можливість її використання у молекулярній таксономії цієї групи рослин. Методи. ПЛР-ампліфікація, клонування та сиквенування повторюваної послідовності 5S рДНК, біоінформатичний та філогенетичний аналіз. Результати. Сиквеновано повтори 5S рДНК видів T. graniticola і T. ophiophylla, які багато авторів розглядають як синоніми до T. sylvestris L. Також зібрано основні риботипи з повногеномних бібліотек коротких рідів Illumina для двох споріднених до T. sylvestris видів, T. patens і T. saxatilis. Проведено порівняльний аналіз структури послідовностей 5S рДНК та філогенетичний аналіз на основі ділянки IGS. Висновки. Продемонстровано високий рівень мінливості IGS 5S рДНК у представників підроду Eriostemones роду Tulipa. Використання IGS 5S рДНК для філогенетичного аналізу дозволило чітко відокремити близькоспоріднені види T. saxatilis, T. patens та комплексний вид T. sylvestris, а також розмежувати між собою таксони із суперечливим статусом T. graniticola і T. ophiophylla. Отже, використання цієї ділянки ядерного геному є перспективним підходом до молекулярної таксономії роду Tulipa.

Посилання

Andreev I. O., Mel’nyk V. M., Parnikoza I. Y., Kunakh V. A. Molecular organization and intragenomic variability of intergenic spacer of 5S rRNA genes in Colobanthus quitensis. Cytol. Genet. 2023. Vol. 57(5). P. 399-405. doi: 10.3103/S0095452723050018.

Anisimova M., Gascuel O. Approximate likelihood-ratio test for branches: a fast, accurate, and powerful alternative. Syst. Biol. 2006. Vol. 55. P. 539-552. doi: 10.1080/10635150600755453.

Baker W. J., Bailey P., Barber V., Barker A., et al. A comprehensive phylogenomic platform for exploring the angiosperm tree of life. Systematic biology. 2022. Vol. 71(2). P. 301-319. doi: 10.1093/sysbio/syab035.

Besendorfer V., Krajačić-Sokol I., Jelenić S., Puizina J., Mlinarec J., Sviben T., Papeš D. Two classes of 5S rDNA unit arrays of the silver fir, Abies alba Mill. structure, localization and evolution. Theor. Appl. Genet. 2005. Vol. 110. P. 730-741. doi: 10.1007/s00122-004-1899-y

Botschantzeva Z. Tulips: taxonomy, morphology, cytology, phytogeography and physiology. Crc Press. 1982.

Chen X., Helen V. M. Tulipa Linnaeus, Flora of China, Samuel B. J., Wu Z. Y., and Raven P. H., Eds. Science Press, Beijing, China, 2000.

Christenhusz M. J., Govaerts R., David J. C., Hall T. et al. Tiptoe through the tulips–cultural history, molecular phylogenetics and classification of Tulipa (Liliaceae). Bot. J. Linn. Soc. 2013. Vol. 172(3). P. 280-328. doi: 10.1111/boj.12061.

Ciganda M., Williams N. Eukaryotic 5S rRNA biogenesis. Wiley Interdiscip. Rev.: RNA. 2011. Vol. 2(4). P. 523-533. doi: 10.1002/wrna.74.

Cloix C., Yukawa Y., Tutois S., Sugiura M., Tourmente S. In vitro analysis of the sequences required for transcription of the Arabidopsis thaliana 5S rRNA genes. Plant J. 2003. Vol. 35(2). P. 251-261. doi: 10.1046/j.1365-313X.2003.01793.x.

De Souza T. B., Gaeta M. L., Martins C., Vanzela A. L. L. IGS sequences in Cestrum present AT-and GC-rich conserved domains, with strong regulatory potential for 5S rDNA. Mol. Biol. Rep. 2020. Vol. 47. P. 55-66. doi: 10.1007/s11033-019-05104-y.

Douet J., Tourmente S. Transcription of the 5S rRNA heterochromatic genes is epigenetically controlled in Arabidopsis thaliana and Xenopus laevis. Hered. 2007. Vol. 99. P. 5-13. doi: 10.1038/sj.hdy.6800964.

Garcia S., Wendel J. F., Borowska-Zuchowska N., Ainouche M., Kuderova A., Kovarik A. The utility of graph clustering of 5S ribosomal DNA homoeologs in plant allopolyploids, homoploid hybrids, and cryptic introgressants, Front. Plant Sci. 2020. Vol. 11(41). doi: 10.3389/fpls.2020.00041.

Grabiele M., Aguilera P. M., Ducasse D. A., Debat H. J. Molecular characterization of the 5S rDNA non-transcribed spacer and reconstruction of phylogenetic relationships in Capsicum. Rodriguésia. 2021. Vol. 72. doi: 10.1590/2175-7860202172071.

Hajdari A., Pulaj B., Schmiderer C., Mala X., et al. A phylogenetic analysis of the wild Tulipa species (Liliaceae) of Kosovo based on plastid and nuclear DNA sequence. Adv. Genet. 2021. Vol. 2(3). e202100016. doi: 10.1002/ggn2.202100016.

Ishchenko O. O., Bednarska I. O., Panchuk І. І. Application of 5S ribosomal DNA for molecular taxonomy of subtribe Loliinae (Poaceae). Cytol. Genet. 2021. Vol. 55. P.10-18. doi: 10.3103/S0095452721010096.

Katoh K., Rozewicki J., Yamada K. D. MAFFT online service: multiple sequence alignment, interactive sequence choice and visualization. Briefings Bioinf. 2017. Vol. 20(4). P. 1160–1166. doi: 10.1093/bib/bbx108.

Kritskaya T. A., Kashin A. S., Perezhogin Y. V., Murtazaliev R. A., Anatov D. M., Friesen N. Genetic diversity of Tulipa suaveolens (Liliaceae) and its evolutionary relationship with early cultivars of T. gesneriana. Plant Syst. Evol. 2020. Vol. 306. P. 1-15. doi: 10.1007/s00606-020-01667-7.

Kumar S., Stecher G., Knyaz C., Tamura K. MEGA X: molecular evolutionary genetics analysis across computing platforms. Mol. Biol. Evol. 2018. Vol. 35(635). P. 1547-1549. doi: 10.1093/molbev/msy096.

Liu G., Lan Y., Qu L., Zhao Y., Xin H., Xi M. Analyzing the genetic relationships in Tulipa based on karyotypes and 5S rDNA sequences. Sci. Hortic. 2022. Vol. 302. P. 111178. doi: 10.1016/j.scienta.2022.111178.

Marasek-Ciolakowska A., Ramanna M. S., Arens P., Van Tuyl J. M. Breeding and cytogenetics in the genus Tulipa. Floricult. Ornam. Biotechnol. 2012. Vol. 6. P. 90-97.

Mizuochi H., Marasek A., Okazaki K. Molecular cloning of Tulipa fosteriana rDNA and subsequent FISH analysis yields cytogenetic organization of 5S rDNA and 45S rDNA in T. gesneriana and T. fosteriana. Euphytica. 2007. Vol. 155. P. 235-248. doi: 10.1007/s10681-006-9325-y.

Nikitina E. V., Karimov F. I., Savina N. V., Kubrak S. V., Kilchevsky A. V. Inventory of some Tulipa species from Uzbekistan using DNA barcoding. In BIO Web of Conferences. 2021. Vol. 38. P. 00086. EDP Sciences. doi: 10.1051/bioconf/20213800086.

Okonechnikov K., Golosova O., Fursov M., Ugene Team. Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinf. 2012. Vol. 28(8). P. 1166-1167. doi: 10.1093/bioinformatics/bts091.

Onyshchenko V. A., Mosyakin S. L., Korotchenko I. A., Danylyk I. M. et al. IUCN Red List categories of vascular plant species of Ukrainian flora / ed. by V. A. Onyshchenko. Kyiv: FOP Huliaeva V. M. 2022. 198 p. [In Ukrainian]

Panchuk I. I., Volkov R. A. A practical course in molecular genetics. Chernivtsi: Ruta. 2007. 120 p. [In Ukrainian]

Peregrym M. M. Representation of bulb and bulbotuberiferous species of the natural flora of Ukraine in protected plant lists of different levels. Ukr. Botan. Journ. 2012. Vol. 69(6). P. 832-846 [In Ukrainian]

Porebski S., Bailey L. G., Baum B. R. Modification of a CTAB DNA extraction protocol for plants containing high polysaccharide and polyphenol components. Plant Mol. Biol. Rep. 1997. Vol. 15(1). P. 8-15. doi: 10.1007/BF02772108.

Pourkhaloee A., Khosh-Khui M., Arens P., Salehi H. et al. Molecular analysis of genetic diversity, population structure, and phylogeny of wild and cultivated tulips (Tulipa L.) by genic microsatellites. Hort. Environ. Biotech. 2018. Vol. 59(6) P. 875-888. doi: 10.1007/s13580-018-0055-6.

POWO. Plants of the World Online. Facilitated by the Royal Botanic Gardens, Kew. Published on the Internet; http://www.plantsoftheworldonline.org (accessed December 05 2023).

Rusak O. O., Petrashchuk V. I., Panchuk I. I., Volkov R. A. Molecular organization of 5S rDNA in two Ukrainian populations of Sycamore (Acer pseudoplatanus). Visn. Ukr. Tov. Genet. Selek.. 2016. Vol. 14(2). P. 216-220. [In Ukrainian] doi: 10.7124/visnyk.utgis.14.2.691.

Saini A., Jawali N. Molecular evolution of 5S rDNA region in Vigna subgenus Ceratotropis and its phylogenetic implications. Plant Syst. Evol. 2009. Vol. 280. P. 187-206. doi: 10.1007/s00606-009-0178-4.

Stepanenko A., Chen G., Hoang P. T., Fuchs J., Schubert I., Borisjuk N., The ribosomal DNA loci of the ancient monocot Pistia stratiotes L. (Araceae) contain different variants of the 35S and 5S ribosomal RNA gene units. Front. Plant Sci. 2022. Vol. 13. P. 819750. doi: 10.3389/fpls.2022.819750.

Turktas M., Metin Ö. K., Baştuğ B., Ertuğrul F. et al. Molecular phylogenetic analysis of Tulipa (Liliaceae) based on noncoding plastid and nuclear DNA sequences with an emphasis on Turkey. Bot. J. Linn. Soc. 2013. Vol. 172(3). P. 270-279. doi: 10.1111/j.0024-4074.2004.00194.x.

Tynkevich Y. O., Bushyla K. D., Volkov R. A. Organization of the 5S rDNA intergenic spacer of Quercus rubra L. and its relationship to the Ukrainian Quercus species. Factors Experimental Evol. Organisms. 2020. Vol. 26. P. 125-131 [In Ukrainian] doi: 10.7124/FEEO.v26.1254.

Tynkevich Y. O., Kozub L. V., Volkov R. A. Organization and polymorphysm of 5S rDNA intergenic spacer of blackthorn (Prunus spinosa L.). Visn. Ukr. Tov. Genet. Selek.. 2021. Vol. 19(1-2). P. 40-46 [In Ukrainian] doi: 10.7124/visnyk.utgis.19.1-2.1439.

Tynkevich Y. O., Moysiyenko I. I., Volkov R. A. The use of the intergenic spacer region psbA-trnH of the chloroplast genome for the analysis of the taxonomic position and genetic polymorphism of the Ukrainian populations of Tulipa quercetorum Klokov et Zoz. Visn. Ukr. Tov. Genet. Selek.. 2022а. Vol. 20(1-2). P. 8-15. [In Ukrainian] doi: 10.7124/visnyk.utgis.20.1-2.1508.

Tynkevich Y. O., Shelyfist A. Y., Kozub L. V., Hemleben V., Panchuk I. I., Volkov R. A. 5S ribosomal DNA of genus Solanum: molecular organization, evolution, and taxonomy. Front. Plant Sci. 2022b. Vol. 13. P. 852406. doi: 10.3389/fpls.2022.852406.

Tynkevich Y. O., Valin M. O., Moysiyenko I. I., Panchuk I. I., Volkov R. A. 5S ribosomal DNA in the family Plumbaginaceae. Cytol. Genet. 2023. Vol. 57(6). P. 524-537. doi: 10.3103/S0095452723060099.

Tynkevich Y. O., Volkov R. A. 5S ribosomal DNA of distantly related Quercus species: molecular organization and taxonomic application. Cytol. Genet. 2019. Vol. 53. P. 459-466. doi: 10.3103/S0095452719060100.

Van Eijk, J. P., Van Raamsdonk, L. W. D., Eikelboom, W., Bino, R. J. Interspecific crosses between Tulipa gesneriana cultivars and wild Tulipa species: a survey. Sexual Plant Reproduction. 1991 Vol. 4, P. 1-5.

Vozárová R., Herklotz V., Kovařík A., Tynkevich Y. O., Volkov R. A., Ritz C. M., Lunerová J. Ancient origin of two 5S rDNA families dominating in the genus Rosa and their behavior in the Canina-type meiosis. Front. Plant Sci. 2021. Vol. 12. P. 643548. doi: 10.3389/fpls.2021.643548

Wang W., Zhang X., Garcia S., Leitch A.R., Kovařík A. Intragenomic rDNA variation - the product of concerted evolution, mutation, or something in between? Hered. 2023. P. 1-10. doi: 10.1038/s41437-023-00634-5.

WFO World Flora Online, 2023, Available from: http://www.worldfloraonline.org/ (accessed 17 November 2023).

Wilson B. Tulipa: the taxonomy and evolutionary history of the genus and its impact on conservation priorities in Central Asia. Doctoral dissertation, University of Cambridge. 2023. 258 p. doi: 10.17863/CAM.94432.