Анализ полиморфизма региона ITS1-5.8S rDNA-ITS2 некоторых видов пионов, произрастающих в коллекции Ботанического сада УрО РАН

Представители рода Пион (Paeonia L.) являются экономически и социально значимыми декоративными растениями, некоторые виды широко применяются в народной медицине. Разнообразные сорта пионов являются яркими представителями активной многовековой селекции, которые широко применяются для озеленения ботанических садов, городских ландшафтов и приусадебных участков. С развитием молекулярной генетики селекция декоративных культур получила новый импульс. Исследования позволили выделить маркеры, которые помогают определить важные декоративные и хозяйственные характеристики, такие как форма цветка, цвет листьев, цвет венчика, степень махровости, наличие аромата. Это ускоряет процесс селекции и позволяет достаточно точно паспортизировать новые сорта. В нашей статье представлены итоги исследовательской работы, основная цель которой заключалась в апробации метода паспортизации и верификации представителей р. Paeonia на основании вариабельности региона ITS1-5.8S rDNA-ITS2. В ходе анализа удалось определить вид P. arientina, включенный в коллекцию Ботанического сада УрО РАН под другим таксономическим названием P. mascula. Дополнительно провели оценку генетического разнообразия изученного региона рибосомальной ДНК, включив в работу последовательности ITS1-5.8S rDNA-ITS2 ряда других видов. Выделение тотальной ДНК проводили CTAB-методом. Оценку сиквенсных последовательностей проводили с применением различных программ (Mega6, Bioedit, DNAxp). Выявили, что для всех изученных видов пионов характерна высокая вариабельность изученного региона. Число полиморфных сайтов составило 155, а общее число мутаций – 164. Высоко число сайтов с одной мутацией (126). Гаплотипное разнообразие (Hd) для всех изученных видов составило 0,978±0,019. Принадлежность таксонов, включенных в коллекцию Ботанического сада УрО РАН, основываясь на изученном регионе ITS рибосомальной ДНК, удалось точно подтвердить. Сделан вывод о целесообразности использования региона ITS1- 5.8S rDNA-ITS2 при паспортизации видов р. Paeonia при включении в коллекционный фонд Ботанических садов, ввиду сложности определения некоторых видов пионов исключительно по морфологическим признакам.

1. Zhang K. L., Yao L. J., Zhang Y., Baskin J. M., Baskin C. C., Xiong Z. M., Tao J. A review of the seed biology of Paeonia species (Paeoniaceae), with particular reference to dormancy and germination, Planta. 2019;249:291-303.

2. Degtjareva G., Efimov S. The genetic diversity of Paeonia anomala (Paeoniaceae), as indicated by nuclear ITS and plastid ycf1 molecular markers, BIO Web of Conferences. 2021;38:1-4.

3. Zhou S., Xu C., Liu J. Out of the pan-Himalaya: evolutionary history of the Paeoniaceae revealed by phylogenomics, J Syst Evol. 2021;59:1170-1182.

4. Успенская М. С. Пионы. Москва: Изд-во ЗАО «Фитон+», 2003, 207 с.

5. Комина О. В. Биологические особенности некоторых видов рода Paeonia L. при интродукции в лесостепной зоне Западной Сибири: автореф. дис. Н, 2014, 16 с.

6. Angiosperm Phylogeny Group. An update of the Angiosperm Phylogeny Group classification for the orders and families of flowering plants: APG IV, Bot. J. Linn. Soc. 2016;181:1-20.

7. Jia N., Shu Q.-Y., Wang D.-H. Identification and characterization of anthocyanins by High-performance Liquid Chromatography-Electrospray Ionization-Mass Spectrometry in Herbaceous Peony Species, Journal of the American society for horticultural science. 2008;133:418-426. DOI: 10.21273/JASHS.133.3.418.

8. Hong D.-Y. Peonies of the world: taxonomy and phytogeography. London, UK: Royal Botanic Gardens, Kew, 2010, 312 p.

9. Yang Y., Sun M., Li S., Chen Q., Teixeira da Silva J.A., Wang A., Yu X., Wang L. Germplasm resources and genetic breeding of Paeonia: a systematic review, Hortic Res. 2020;7:107. DOI: 10.1038/s41438-020-0332-2.

10. Sang T., Crawford D. J., Stuessy T. F. Documentation of reticulate evolution in peonies (Paeonia) using internal transcribed spacer sequences of nuclear ribosomal DNA: implications for biogeography and concerted evolution, Proceedings of the National Academy of Sciences. 1995;92(15):6813-6817.

11. Sun Y. L., Hong S. K. Genetic diversity and phylogenetic analysis of genus Paeonia based on nuclear ribosomal DNA ITS sequence, J. Plant Biotechnol. 2011;38:234-240.

12. Kim W. J, Ji Y., Choi G., Kang Y. M., Yang S., Moon B. C. Molecular identification and phylogenetic analysis of important medicinal plant species in genus Paeonia based on rDNA-ITS, matK, and rbcL DNA barcode sequences, Genet Mol Res. 2016;15(3). DOI: 10.4238/gmr.15038472.

13. Zhang Y., Xu S., Cheng Y. et al. Functional identification of PsMYB57 involved in anthocyanin regulation of tree peony, BMC Genet. 2020;21:124. DOI: 10.1186/s12863-020-00930-7.

14. Luo X. N. Variation of floral volatiles and fragrance reveals the phylogenetic relationship among nine wild tree peony species, Flavour Fragr. J. 2020;35:227-241.

15. Wu L., Nie L., Xu Z., Li P., Wang Y., He C., Song J., Yao H. Comparative and Phylogenetic Analysis of the Complete Chloroplast Genomes of Three Paeonia Section Moutan Species (Paeoniaceae), Front Genet. 2020;11:980. DOI: 10.3389/fgene.2020.00980.

16. He D., Zhang J., Zhang X., He S., Xie D., Liu Y., Li C., Wang Z., Liu Y. Development of SSR markers in Paeonia based on De Novo transcriptomic assemblies, PLoS One. 2020;15(1):e0227794. DOI: 10.1371/journal.pone.0227794.

17. Wu L., Nie L., Wang Q., Xu Z., Wang Y., He C., Song J., Yao H. Comparative and phylogenetic analyses of the chloroplast genomes of species of Paeoniaceae, Sci Rep. 2021;11(1):14643. DOI: 10.1038/s41598-021-94137-0.

18. Kamenetsky-Goldstein R., Yu X. Cut peony industry: the first 30 years of research and new horizons, Hortic Res. 2022;9:uhac079. DOI: 10.1093/hr/uhac079.

19. Mochida K., Akira Nakatsuka, Tetsuya Kako, Nobuo Kobayashi, Development of DNA Markers for Interspecific and Intersubgeneric Hybrids Involved in Tree Peony Cultivar Groups, The Horticulture Journal. 2022;91(3):382-387.

20. Li W., Huang X. C., Wang Y. L., Zhang R. J., Shi D. Y., Li T. F., Zhou G. C., Xue J. Y. Plastid Phylogenomics of Paeonia and the Evolution of Ten Flower Types in Tree Peony, Genes (Basel). 2022;13(12):2229. DOI: 10.3390/genes13122229.

21. Cui L., Chen T., Zhao X., Wang S., Ren X., Xue J., Zhang X. Karyotype Analysis, Genomic and Fluorescence In Situ Hybridization (GISH and FISH) Reveal the Ploidy and Parental Origin of Chromosomes in Paeonia Itoh Hybrids, Int J Mol Sci. 2022;23(19):11406. DOI: 10.3390/ijms231911406.

22. Chen T. Q., Sun Y., Yuan T. Transcriptome sequencing and gene expression analysis revealed early ovule abortion of Paeonia ludlowii, BMC Genomics. 2023;24(1):78. DOI: 10.1186/s12864-023-09171-1.

23. Zhang K., Wang X., Chen X., Zhang R., Guo J., Wang Q., Li D., Shao L., Shi X., Han J. Establishment of a Homologous Silencing System with Intact-Plant Infiltration and Minimized Operation for Studying Gene Function in Herbaceous Peonies, International Journal of Molecular Sciences. 2024;25(8):4412. DOI: 10.3390/ijms25084412.

24. White T. J., Bruns T., Lee S., Taylor T. Amplification and direct sequencing of fungal ribosomal RNA genes for phylogenetics, PCR protocols: a guide to methods and applications, New York: Academic Press. 1990;315-322.

25. Hall T. A. Bioedit: a user-friendly biological sequence alignment editor and analysis program for Windows95/98/ NT, Nucl. Acid Symp. 1999;41:95-98. DOI: 10.12691/ajmr-3-2-1.

26. Tamura K., Stecher G., Peterson D., Filipski A., Kumar S. MEGA6: Molecular Evolutionary Genetics Analysis Version6.0, Molecular biology and evolution. 2013;30:2725-2729. DOI:10.1093/molbev/mst197.

27. Devey M. E., Bell J. C., Smith D.N. A genetic linkage map for Pinus radiate based on RFLP, RAPD and microsatellite markers, Theor. Appl. Genet. 1996;93:673-679.

28. Rozas J., Ferrer-Mata A., SаnchezDelBarrio J. C., Guirao-Rico S., Librado P., Ramos-Onsins S. E., Sаnchez-Gracia A. DnaSP6: DNA Sequence Polymorphism Analysis of Large Datasets, Mol. Biol. Evol. 2017; 34:3299-3302. DOI:10.1093/molbev/msx248.

29. Bandelt H. J., Rоhl А. Median-joining networks for inferring intraspecific phylogenies, Mol Biol Evol. 1999;1:37-48. DOI:10.1093/oxfordjournals.molbev.a026036.

30. Пунина Е. О., Мордак Е. В., Тимухин И. Н., Литвинская С. А. Конспект нотовидов рода Paeonia l. (Paeoniaceae) Кавказа и Крыма, Новости систематики высших растений. 2010;42:120-131.

31. Basic Local Alignment Search Tool (BLAST), 2023, URL:https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi?PROGRAM=blastn&PAGE_TYPE=BlastSearch&LINK_LOC=blasthome. Ссылка активна на 07.11.2023.

32. Pan J., Zhang D., Sang T. Molecular phylogenetic evidence for the origin of a diploid hybrid of Paeonia (Paeoniaceae), Am. J. Bot. 2007;94:400-408. DOI: 10.3732/ajb.94.3.400.