Генетическое разнообразие семейства бобовых культур, собранных в национальных парках северного Казахстана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Евразийский национальный университет имени Л.Н.Гумилева,

г. Астана, школа-лицей №66

Генетическое разнообразие семейства бобовых культур, собранных в национальных парках северного Казахстана

Аблаева Ацжарцын Fалъшжанцызы

Магитрант

Аннотация

Семь видов семейства Fabaceae (Oxytropis floribunda, Glycyrrhiza uralensis Fisch., Trifolium repens, Lathyruspisiformis, Medicago falcata, Thermopsis lanceolata R.Br., РитИа Pojark. ) были проанализированы для оценки генетического разнообразия и их филогенетических связей с использованием ITS, rbcl праймеров. Целью данной работы является сохранение биологического разнообразия семейства Fabaceae. Генетическое разнообразие помогает селекционерам разрабатывать сорта для определенных признаков, таких как улучшение качества и устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам. Экономически бобовые (Fabaceae) представляют собой второе по важности семейство сельскохозяйственных культур после семейства злаковых, Poaceae. Зерновые бобовые культуры составляют 27% мирового производства сельскохозяйственных культур и обеспечивают 33% пищевого белка, потребляемого людьми, в то время как пастбищные и кормовые бобовые культуры обеспечивают жизненно важную часть корма для животных.

Abstract

Seven species of Fabaceae (Oxytropis floribunda, Glycyrrhiza uralensis Fisch., Trifolium repens, Lathyrus pisiformis, Medicago falcata, Thermopsis lanceolata R.Br., Рumila Pojark. ) were analyzed to evaluate the genetic diversity and their phylogenetic relationships using ITS, rbcl primers. The aim of this work is the biodiversity conservation of family Fabaceae. Genetic diversity helps breeders develop varieties for specific traits such as improved quality and resistance to biotic and abiotic stresses. Economically, legumes (Fabaceae) represent the second most important family of crops after the cereal family, Poaceae. Grain legumes account for 27% of the world's crop production and provide 33% of the dietary protein consumed by humans, while pasture and forage legumes provide a vital part of animal feed.

Ключевые слова: Fabaceae, генетическое разнообразие, ITS, rbcl, штрих-кодирование ДНК

Key words: Fabaceae, genetic diversity, ITS, rbcl, DNA-barcoding

Экономически бобовые (FаЬасеае) представляют собой второе по важности семейство сельскохозяйственных культур после семейства злаковых, Роасеае. Зерновые бобовые культуры составляют 27% мирового производства сельскохозяйственных культур и обеспечивают 33% пищевого белка, потребляемого людьми, в то время как пастбищные и кормовые бобовые культуры обеспечивают жизненно важную часть корма для животных. [1] Как показывает анализ развития кормопроизводства, в последнее время наблюдается снижение продуктивности кормовых угодий, оно усугубляется в годы с неустойчивым увлажнением. Также проблема увеличения содержания кормового белка в рационе животных особенно актуальна. Решающая роль в обеспечении животноводства высококачественными кормами принадлежит многолетним травам бобов, основные виды - люцерна, эспарцет, донник, клевер составляют до 70% кормовой продукции и используются для получения сено, сенаж, витаминно-травяная мука и зеленый корм в летний период. В будущем планируется увеличить посевную площадь за счет многолетних бобовых трав, которые являются экономически и энергетически выгодными. [2]

Их способность фиксировать атмосферный азот снижает затраты на удобрения для фермеров и садоводов, занимающихся выращиванием бобовых, и означает, что бобовые культуры можно использовать в севообороте для пополнения почвы, в которой отсутствует азот. Семена и листья бобовых имеют сравнительно более высокое содержание белка, чем не бобовые, благодаря дополнительному азоту, который бобовые получают в процессе производства.

В промышленности бобовые находят множество применений в производстве биоразлагаемых пластиков, масел, красителей и биодизельного топлива. Бобовые традиционно используются в народной медицине, но также демонстрируют важность в современной медицине. Считается, что изофла- воны, обычно встречающиеся в бобовых, снижают риск развития рака, и в настоящее время изучаются возможности применения фитоэстрогенов для снижения уровня холестерина и соевых бобов в постменопаузальной заместительной гормональной терапии [4] . Бобовые также вызывают гипогликемический эффект при употреблении, что делает их рекомендуемой пищей для диабетиков [5].

Были собраны семь видов растений семейства бобовых такие как: Остролодочник яркоцветный (Oxytropis floribunda), Солодка уральская (Glycyrrhiza uralensis Fisch. ex DC), Клевер ползучий (Trifolium repens), Чина гороховидная (Lathyrus pisiformis), Люцерна жёлтая (Medicago falcata), Термопсис ланцетный (Thermopsis lanceolata R.Br) и Карагана низкорослая (Pumila Pojark.). Люцерна (Medicago sp.) - древнейшая кормовая культура, распространенная повсеместно, род насчитывает около 50 видов. В сельскохозяйственном производстве используется в основном люцерна синяя или посевная (М. sativa). Коллекция люцерны наиболее многочисленная, охватывает 57 стран. 31% образцов представлено дикарями, 39% - стародавние и современные коммерческие сорта, у остальных нет информации по данному дескриптору. Образцы, формирующие коллекцию, являются, в основном, представителями естественных популяций из Казахстана, северных провинций Китая, Монголии и России, а также имеется несколько коммерческих сортов отечественной селекции.

Солодка уральская обладает дубильными свойствами, тогда как трава и зрелые семена Термопсиса ланцетного являются лекарственным сырьём. Остролодочник яркоцветный является эндемичным видом и Карагана низкорослая морозостойкое, засухоустойчивое, малотребовательное к почвенным условиям растение.

Генетическое разнообразие между двумя родителями важно для реализации гетерозиса и получения трансгрессивных сегрегантов. Генетическое разнообразие помогает селекционерам разрабатывать сорта для определенных признаков, таких как улучшение качества и устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам. Эволюционные силы, такие как селекция, мутация, миграция и генетический дрейф действуют непрерывно и приводят к постоянным изменениям частоты аллелей в популяции и влияют на генетическое разнообразие. [24] Физическое распределение особей вида также влияет на генетическое разнообразие. Чем больше физическое распределение индивидуумов, тем меньше шансов иметь одинаковую генетическую структуру.

Генетическая вариация существенна, и каждая особь вида, за исключением монозиготных близнецов, обладает уникальной последовательностью ДНК. [20] Разнообразие генетических ресурсов растений (ГРР) предоставляет селекционерам возможность разрабатывать новые и улучшенные сорта с желаемыми характеристиками, которые включают как предпочтительные для фермера признаки (потенциальный урожай и большие семена и т. д.), так и предпочтительные признаки селекционеров (устойчивость к вредителям и болезням и светочувствительность и т. д.). С самого начала ведения сельского хозяйства естественная генетическая изменчивость использовалась в видах сельскохозяйственных культур для удовлетворения потребностей в натуральном питании, и теперь она нацелена на излишки пищи для растущих популяций.

Оценка генетического разнообразия внутри и между популяциями растений обычно выполняется с использованием различных методов, таких как Д) морфологическая, (и) биохимическая характеристика / оценка (аллозим), в предгеномную эру и (ш) анализ ДНК (или молекулярных) маркеров особенно однонуклеотидный полиморфизм (SNPs) в постгеномную эпоху. Маркеры могут демонстрировать сходные способы наследования, как мы наблюдаем для любых других признаков, то есть доминантного / рецессивного или кодоминантного. Если генетический признак гомозигот можно отличить от генетического признака гетерозигот, то маркер считается кодоминантным. Обычно кодоминантные маркеры более информативны, чем доминантные маркеры [10].

Морфологические оценки являются прямыми, недорогими, легкими и не требуют дорогостоящих технологий. Однако требования больших участков земли и человеческие труды в течение определенного периода времени делают это дорого [13]. Кроме того, существуют внутренние проблемы с данными, полученными в результате морфологических признаков, из-за большого влияния окружающей среды и взаимодействия генотипа с окружающей средой. [14] Морфологические характеристики бобовых растений: привычка роста, окраска цветка, форма листьев, форма стручка и семян, признаки корневого узла [13].

Второй тип генетического маркера называется биохимическими маркерами, аллельными вариантами ферментов, называемыми изозимами, которые обнаруживаются с помощью электрофореза и специфического окрашивания. Он включает разделение белков или их вариантов (изозимов) на конкретные шаблоны полос. Изозимы отражают продукты разных аллель а не ген. Эти изозимы могут быть картированы на хромосомы и могут быть использованы как генетические маркеры для картирования других ген. [18] Изоферментные маркеры являются доминантными по природе. Они обнаруживают разнообразие на функциональном уровне генов и имеют простое наследование. Для его обнаружения требуется только небольшое количество растительного материала, тем не менее, они ограничены в число, пострадавших от колебаний окружающей среды и не может быть использован для построения полной генетической карты [13] и доступно только ограниченное число маркеров ферментов, и эти ферменты не одиноки, а имеют сложные структурные и особые проблемы; Таким образом, разрешение генетического разнообразия ограничено для изучения [12].

Третий и наиболее широко используемый тип генетических маркеров - это молекулярные маркеры, содержащие большое разнообразие молекулярных маркеров ДНК, которые можно использовать для анализа генетических и молекулярных изменений. Эти маркеры могут обнаруживать изменения, возникающие в результате делеции, дупликации, инверсии и / или вставки в хромосомы. Такие маркеры сами по себе не влияют на фенотип интересующих признаков, поскольку они расположены только рядом или связаны с генами, контролирующими признаки. Молекулярные маркеры обнаруживают вариации последовательностей ДНК среди сортов и поэтому непосредственно обходят проблемы, связанные с воздействием на окружающую среду. [19] Молекулярный маркер может быть определен как геномный локус, обнаруженный с помощью зонда или специфического стартера (праймера), который в силу своего присутствия однозначно различает хромосомный признак, который он представляет, а также фланкирующие области на 3 'и 5' конечности [3]. При использований ДНК-маркеров, генетическое разнообразие измеряется как средняя аллельная дивергенция между любыми двумя особями для заданных локусов [15].

SSR (Простая последовательность повторов)

Микросателлиты, или SSR (простые повторы последовательности), или STR (простые тандемные повторы) состоят из отрезка ДНК длиной несколько нуклеотидов - от 2 до 6 пар оснований (п.о.) -повторяются несколько раз в тандеме (например, CACACACACACACACA). Микросателлиты гипервариабельны; они часто показывают десятки аллелей в локусе, которые отличаются друг от друга количеством повторов. Они по-прежнему являются метками выбора для исследований разнообразия, а также для анализа происхождения и картирования количественных локусов признаков (QTL), хотя это может быть поставлено под сомнение в ближайшем будущем с разработкой дешевых методов для анализа SNP. [25]

Штрих-кодирование ДНК было введено в 2003 году как инструмент идентификации видов на молекулярной основе с использованием короткой, переменной и стандартизированной области ДНК, штрих-код [6]. Чтобы соответствовать критериям штрих-кода ДНК, генный локус должен обладать достаточной генетической изменчивостью на уровне видов, короткой длиной последовательности и консервативными фланкирующими областями. [7] Хотя нет универсального штрих-кода, растущий список переменных регионов может помочь дифференцировать виды от различных таксономических групп. С тысячами копий в клеточные, митохондриальные и хлоропластные последовательности легко амплифицируются полимеразной цепной реакций (PCR), даже от очень малых или ухудшенных образцов. Регионы гены хлоропласта, включая rbcL-RuBisCo (Рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза оксигеназы) большая субъединица-- и matK--maturase к--используются для штрихко- дирования растений. Самый обильный протеин на земле, RuBisCo катализирует первый шаг фиксирования углерода, пока maturase K кодирует для протеина который помогает с редактированием РНК. [16] Область rbcL считается универсальной областью штрих-кода ДНК, но она менее полезна для идентификации видов из-за медленной скорости молекулярной эволюции [10] . Еще одна универсальная область штрих-кода ДНК, matK, демонстрирует более высокую скорость изменения последовательности и, следовательно, лучше для целей дискриминации видов. Рабочая группа Консорциума по штрих-коду жизни растителей (CBOL) рекомендует с использованием комбинации областей rbcL и matK в качестве универсального штрих-кода ДНК для Plantae [11]. Альтернативно, рДНК-ITS подходит в качестве области штрих-кода потому что он может очень надежно идентифицировать виды в разнообразных родах растений [ 12]. Данные последовательности ITS имеют и могут продолжать обеспечивать понимание филогенетического история, полиплоидное происхождение, связи генома, историческая интро- грессия и другие эволюционные вопросы. [17] Уровни вариации последовательности ITS подходят для филогенетического вывода на специфическом, родовом или даже семейном уровнях [21]. Вариации на иерархических уровнях, на которых работает большинство филогенетиков (общих и подродовых), в основном связаны с нуклеотидными полиморфизмами, но полиморфизмы вставки-делеции (инделы) также распространены. [21] Функциональность ITS связана со специфическим расщеплением первичного транскрипта в ITS- 1 и ITS-2 во время созревания небольшой субъединицы (SSU), 5.8S и большой субъединицы (LSU) рибосомальной РНК [22]. Хотя этот процесс созревания и сплайсинга зависит от вторичной структуры ITS, сохраняя некоторую степень последовательности или на уровне структуры [23]. Для области ядерной ДНК ITS2, которая является частью ITS, либо в виде отдельного штрих-кодового маркера, либо в качестве дополнительной области с основным штрих-кодом для быстрой таксономической классификации у близкородственных видов широкого спектра таксонов, таких как Fabaceae, следовательно, также проверена в настоящем исследовании [9]. Различные организмы требуют более специфичных для таксонов праймеров для идентификации. Например, в зеленых водорослях отсутствует matK и его трудно штрихкодировать с rbcL и ITS. Для этих растений часто используется другой ген хлоропласта-tufA, который кодирует фактор удлинения Tu (EF-Tu), участвующий в синтезе белка. [16]

бобовый генетический растение

Используемые литературы

Dost M., Ates S. Intercropping of legumes with cereal crops in particular with the perennials to enhance forage yields and quality // Proc. of the FAO expert workshop «Perennial crops for food security». - FAO, Rome. - 2014. - P. 221-229.

Жакеев М.К. К 2020 году посевная площадь кормовых культур в Казахстане увеличится до 10,2 миллионов гектар - Минсельхоз РК. - 2013 // http://www.inform.kz/ru/k-2020-godu-posevnaya- ploschad-kormovyh-kul-tur-v-kazahstane-uveli- chitsya-do-10-2-milliona-gektar-minsel-hoz- rk_a2589081

G. Barcaccia, E. Albertini, D. Rosellini, S. Tavoletti, and F. Veronesi, “Inheritance and mapping of 2n-egg production in diploid alfalfa,” Genome, vol. 43, no. 3, pp. 528-537, 2000. View at Publisher * View at Google Scholar * View at Scopus

Graham, P. H., and C. P. Vance. 2003. Legumes: importance and constraints to greater use. Plant Physiol. 131: 872 - 87

Gepts, P., W. D. Beavis, E. C. Brummer, R. C. Shoemaker, H. T. Stalker, N. F. Weeden, and N. D. Young. 2005. Legumes as a model plant family. Genomics for food and feed report of the cross-legume advances through genomics conference. Plant Physiology 137: 1228-1235

Hebert PDN, Cywinska A, Ball SL, DeWaard JR. 2003a. Biological identifications through DNA barcodes. Proceedings of the Royal Society B Biological Sciences 270:313-321

Giudicelli GC, Mвder G, Brandaode Freitas L. 2015. Efficiency of ITS sequences for DNA barcoding in Passiflora (Passifloraceae) International Journal of Molecular Sciences 16:7289-7303

De Mattia F, Bruni I, Galimberti A, Cattaneo F, Casiraghi M, Labra M. 2011. A comparative study of different DNA barcoding markers for the identification of some members of Lamiaceae. Food Research International 44:693-702

Chen SL, Yao H, Han JP, Liu C, Song JY, Shi LC, Zhu YJ, Ma XY, Gao T, PangXH+6 more. 2010. Validation of the ITS2 region as a novel DNA barcode for identifying medicinal plant species. PLOS ONE 5:e8613

Tripathi AM, Tyagi A, Kumar A, Singh A, et al. (2013). The internal transcribed spacer (ITS) region and trnH-psbA [corrected] are suitable candidate loci for DNA barcoding of tropical tree species of India. PLoS One 8: e57934

CBOL Plant Working Group (2009). A DNA barcode for land plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106: 12794-12797

Vassou SL, Kusuma G and Parani M (2015). DNA barcoding for species identification from dried and powdered plant parts: a case study with authentication of the raw drug market samples of Sida cordifolia. Gene 559: 86-93.

HR Bhandari,1,3 A Nishant Bhanu,1 K Srivastava,1 MN Singh,1 Shreya,1 A Hemantaranjan2 (2017). Assessment of genetic diversity in crop plants

Seyed-Mostafa Pirseyedi, Mohsen Mardi, Mohammad Reza Naghavi, Hashem Poor Iran Doost, Davood Sadeghzadeh, Seyed Abolghasem Moham- madi and Behzad Ghareyazie (2016). Evaluation of genetic diversity and identification of informative markers for morphological characters in Sardari derivative wheat lines

Huang, X.Q., A. Borner, M.S. Roder, and M.W. Ganal. 2002. Assessing genetic diversity of wheat (Triticum aestivum L.) germplasm using microsatellite markers. Theor. Appl. Genet. 105:699-707

Using DNA Barcodes to identify and classify living things

Bailey, C.D., Hughes, C.E., Harris, S.A., Carr, T.G., 2002. Characterization of angiosperm nrDNA polymorphism: Paralogy and pseudogenes. Unpublished manuscript.

Xu Y. Molecular Plant Breeding. South Asia: CABI; 2009.

Cox, T. S., Y.T. Kiang, M.B. Gorman, and D.M. Rodgers.1985. Relationship between coeffcient of parentage and genetic similarity indices in the soybean. Crop Sci. 25, 529-532

Molecular markers - a tool for exploring genetic diversity

Baldwin, B.G., Sanderson, M.J., Porter, J.M., Wojciechowski, M.F., Campbell, C.S., Donoghue, M.J., 1995. The ITS region of nuclear ribosomal DNA: A valuable source of evidence on angiosperm phylog- eny. Ann. Missouri Bot. Gard. 82, 247-277.

Hadjiolova, K.V., Normann, A., Cavaill_e, J., Soup_ene, E., Mazan, S., Hadjiolov, A.A., Bachellerie,

J.-P., 1994. Processing of truncated mouse or human rRNA transcribed from ribosomal minigenes transfected into mouse cells. Mol. Cell Biol. 14, 4044-4056.

Mai, J.C., Coleman, A.W., 1997. The Internal Transcribed Spacer 2 exhibits a common secondary structure in green algae and flowering plants. J. Mol. Evol. 44, 258-271.

HR Bhandari, A Nishant Bhanu, K Srivastava, MN Singh, Shreya, A Hemantaranjan Assessment of genetic diversity in crop plants Molecular markers - a tool for exploring genetic diversity

Размещено на Allbest.ru