Анализ генетического разнообразия селекционно-ценных форм ореха грецкого из коллекции Главного Ботанического сада им. Н. В. Цицина РАН с использованием SSR-маркеров

Орех грецкий считается одной из наиболее экономически значимых орехоплодных культур. Оценка генетической структуры отечественной генплазмы ореха грецкого с помощью современных молекулярно-генетических подходов – актуальная задача изучения генетических ресурсов. Для селекционной практики в вопросе повышения зимостойкости интерес представляет коллекция образцов ореха грецкого Главного ботанического сада им. Н. В. Цицина РАН (ГБС РАН). Семенной материал данной коллекции был интродуцирован из различных регионов бывшего Советского Союза: Таджикистан, Киргизия, Украина, Белоруссия, а также регионов России. Коллекция ГБС РАН представляет интерес в качестве селекционного материала для мобилизации генетических ресурсов и пополнения генофонда юга России новыми образцами ореха грецкого, обладающими важными хозяйственно ценными признаками. Цель данной работы – анализ уровня генетического разнообразия выборки генотипов J. regia, включающей наиболее селекционно-ценные формы из коллекции ГБС РАН, и установление их генетической взаимосвязи с образцами, представляющими культурный генофонд ореха грецкого юга России. Генетический анализ изучаемой выборки сортов и форм осуществлялся с использованием восьми SSR маркеров: WGA001, WGA376, WGA069, WGA276, WGA009, WGA202, WGA089 и WGA054. Установленный в ходе генотипирования полиморфизм микросателлитных ДНК-маркеров свидетельствует о высоком уровне гетерогенности выборки селекционно ценных форм из коллекции генетический ресурсов ГБС РАН им. Н. В. Цицина при сравнении с генетическими ресурсами данного вида из различных регионов мира. Анализ генетических взаимосвязей с помощью кластеризации методами UPGMA и главных координат (PCoA) позволила выявить генетическую обособленность большинства образцов из коллекции ГБС РАН относительно сортов из коллекций генофонда юга России. Наиболее генетически отдаленные образцы ореха грецкого относительно сортов юга России из коллекции ГБС РАН – 199, 196, 236, 256, 106, 134, в связи с чем их включение в коллекции генофонда ФГБНУ СКФНЦСВВ и НБС – ННЦ – приоритетная задача для повышения гетерогенности генофонда.

1. Martínez M., Labuckas D., Lamarque A., Maestri D. Walnut (Juglans regia L.): genetic resources, chemistry, by-products. Science of food and agriculture. 2010;90(12):1959-1967. https://doi.org/10.1002/jsfa.4059

2. Christopoulos M., Tsantili E. Oil composition in stored walnut cultivars – quality and nutritional value, Eur. J. Lipid Sci. Technol. 2015;116:338-348. https://doi.org/10.1002/ejlt.201400082

3. Wu S., Shen D., Wang R., Li Q. et al. Phenolic profi les and antioxidant activities of free, esterifi ed and bound phenolic compounds in walnut kernel, Food Chemistry. 2021;350:129-217. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129217

4. Germain E. Genetic improvement of the Persian walnut (Juglans regia L.). Acta Hortic. 1997;442:21–32.

5. Луговской А. П., Мурзинова Д. Г. Совершенствование системы возделывания ореха грецкого на Северном Кавказе. Плодоводство и виноградарство юга России. 2010;6(5):15–23.

6. Vahdati K., Arab M.M., Sarikhani S., Sadat-Hosseini M., Leslie C.A., Brown P. J. Advances in Persian walnut (Juglans regia L.) breeding strategies. In Advances in Plant Breeding Strategies: Nut Beverage Crops. 2019;4:401–472.

7. Луговской А. П., Балапанов И.М. Перспективные сорта ореха грецкого для зоны Северного Кавказа и их биологическая характеристика. Плодоводство и виноградарство юга России. 2018;51(03):98-110. DOI:10.30679/2219-5335-2018-3-51-98-110.

8. Луговской А. П., Супрун И. И., Балапанов И. М., Подгорная М. Е. Современные сорта и технологии возделывания Грецкого ореха в условиях юга России: методические рекомендации. Краснодар: ФГБНУ СКФНЦСВВ, 2018, 69 с.

9. Еремин Г. В., Ульяновская Е. В., Заремук Р. Ш. и др. Современные методологические аспекты организации селекционного процесса в садоводстве и виноградарстве. Краснодар: СКЗНИИСиВ, 2012, 569 с.

10. McGranahan G. H., Leslie C. A. Walnuts (Juglans), Acta Hortic. 1991;290:905-951.

11. Соколова В. В. Отбор исходного селекционного материала в коллекции ореха грецкого (Juglans regia L.) Главного ботанического сада РАН. Плодоводство и ягодоводство России. 2022;70:7-18. https://doi.org/10.31676/2073-4948-2022-70-7-18.

12. Vahdati K. M., Pourtaklu S., Karimi R., Barzehkar R., Amiri R., Mozaff ari M., Woeste K. Genetic diversity and gene fl ow of some Persian walnut populations in southeast of Iran revealed by SSR markers. Plant. Syst. Evol. 2015;301:691-699. DOI:10.1007/s00606-014-1107-8.

13. Karimi R., Ershadi A., Ehtesham Nia A., Sharifani M., Rasouli M., Ebrahimi A., Vahdati K. Morphological and molecular evaluation of Persian walnut populations in northern and western regions of Iran. Journal of Nuts. 2014;5(2):21-31. ISSN: 2383 319x.

14. Shamlu F., Rezaei M., Lawson S., Ebrahimi A., Biabani A., Khan-Ahmadi A. Genetic diversity of superior Persian walnut genotypes in Azadshahr, Iran. Physiol Mol Biol Plants. 2018;24(5):939-949. https://doi.org/10.1007/s12298-018-0573-9

15. Davoodi F., Rezaei M., Heidari P., Hokmabadi H., Lawson S. Identifi cation and DNA fi ngerprinting of some superior Persian walnut genotypes in Iran. Erwerbs-Obstbau. 2021;63:393402. https://doi.org/10.1007/s10341-021-00597-z

16. Ebrahimi A., Fatahi R., Zamani Z. Analysis of genetic diversity among some Persian walnut genotypes (Juglans regia L.) using morphological traits and SSRs markers. Scientia Horticulturae. 2011;130(1):146-151. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2011.06.028

17. Zhou H., Zhao P., Woeste K., Zhang S. Gene fl ow among wild and cultivated common walnut (Juglans regia) trees in the Qinling Mountains revealed by microsatellite markers. J. For. Res. 2021;32(5):2189-2201. https://doi.org/10.1007/s11676-020-01254-z

18. Gunn B. F., Aradhya M., Salick J. M., Miller A. J., Yongping Y., Lin L., Xian H. Genetic variation in walnuts (Juglans Regia and J. Sigillata; juglandaceae): species distinctions, human impacts, and the conservation of agrobiodiversity in Yunnan. China American Journal of Botany. 2010;97(4):660-671.

19. Wang H., Pan G., Ma Q., Zhang J., Pei D. The genetic diversity and introgression of Juglans regia and Juglans sigillata in Tibet as revealed by SSR markers. Tree Genetics & Genomes. 2015;11:804. DOI:10.1007/s11295-014-0804-3

20. Orhan E., Eyduran S. P., Poljuha D., Akin M., Weber T., Ercisli S. Genetic diversity detection of seed-propagated walnut (Juglans regia L.) germplasm from Eastern Anatolia using SSR markers. Folia Hort. 2020;32(1):1-10. DOI:10.2478/fh ort-2020-0004

21. Guney M., Kafk as S., Keles H., Zarifi khosroshahi M., Gundesli M. A., Ercisli S., Necas T., Bujdoso G. Genetic Diversity among Some Walnut (Juglans regia L.) genotypes by SSR Markers. Sustainability. 2021;13:6830. https://doi.org/10.3390/su13126830

22. Shah U. N., Mir J. I., Ahmed N., Khalid M. Fazili Assessment of germplasm diversity and genetic relationships among walnut (Juglans regia L.) genotypes through microsatellite markers. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences. 2018;17(4):339-350. https://doi.org/10.1016/j.jssas.2016.07.005

23. Magige E. A., Fan P.-Z., Wambulwa M. C., Milne R., Wu Z.-Y., Luo Y.-H., Khan R., Wu H.-Y., Qi H.-L., Zhu G.-F. et al. Genetic diversity and structure of Persian Walnut (Juglans regia L.) in Pakistan: Implications for Conservation. Plants. 2022;11:1652. https://doi.org/10.3390/plants11131652

24. Gaisberger H., Legay S., Loo A. C. J., Azimov R. Aaliev S. Bobokalonov F., Mukhsimov N., Kettle C., Vinceti B. Diversity Under Th reat: Connecting Genetic Diversity and Th reat Mapping to Set Conservation Priorities for Juglans regia L. Populations in Central Asia, Front. Ecol. Evol. 2020;8:171. DOI:10.3389/fevo.2020.0017125-1

25. Dangl G. S., Woeste K., Aradhya M. K., Koehmstedt A., Simon C., Potter D., Leslie C. A., McGranahan G., Characterization of 14 microsatellite markers for genetic analysis and cultivar identifi cation of walnut. Journal of the American Society for Horticultural Science. 2005;130(3):348-354.

26. Bernard A, Barreneche T, Lheureux F, Dirlewanger E. Analysis of genetic diversity and structure in a worldwide walnut (Juglans regia L.) germplasm using SSR markers. PLoS ONE. 2008;13(11):e0208021. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0208021

27. Pollegioni P., Woeste K., Olimpieri I., Marandola D., Cannata F., Malvolti M. E. Long-term human impacts on genetic structure of Italian walnut inferred by SSR markers. Tree Genetics & Genomes. 2014;7:707-723. DOI:10.1007/s11295-011-0368-4

28. Cseke K., Bujdosó G., Báder M., Mertl T., Benke A., Kámpel J. D. Genetic Identifi cation of Hybrid Walnuts (Juglans × intermedia Carr.) in Hungary, the Hidden Potential for Future Breeding, Sustainability. 2022;14:4782. https://doi.org/10.3390/su14084782

29. Ebrahimi A., Zarei A., Lawson S., Woeste K. E., Smulders M. J. M. Genetic diversity and genetic structure of Persian walnut (Juglans regia) accessions from 14 European, African, and Asian countries using SSR markers. Tree Genetics & Genomes. 2016;12:114. DOI:10.1007/s11295-016-1075-y

30. Pollegioni P., Woeste K. E., Chiocchini F., Olimpieri I., Tortolano V., Clark J., Hemery G. E., Mapelli S., Malvolti M. E. Landscape genetics of Persian walnut (Juglans regia L.) across its Asian range, Tree Genetics & Genomes. 2014;10(4). DOI:10.1007/s11295-014-0740-2

31. Khokhlov S. Yu., Panyushkina E. S., Balapanov I. M., Suprun I. I., Tokmakov S. V. The identifi cation of walnut cultivars from Nikita botanical gardens by SSR-markers. Acta Horticulturae. 2019;1242:515-520.

32. Balapanov I., Suprun I., Stepanov I., Tokmakov S., Lugovskoy A. Comparative analysis Crimean, Moldavian and Kuban Persian walnut collections genetic variability by SSR-markers, Scientia Horticulturae. 2019;253:322-326. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2019.04.014

33. Rogers S. O., Bendich A. J. Extraction of DNA from milligram amounts of fresh, herbarium and mummifi ed plant tissues. Plant. Mol. Biol. 1985:5:69–76. https://doi.org/10.1007/BF00020088

34. Peakall R., Smouse P. E. GenAlEx 6.5: genetic analysis in Excel. Population genetic soft ware for teaching and research-an update. Bioinformatics. 2012;28:2537-2539. DOI 10.1093/bioinformatics/bts460

35. Hammer O., Harper D. A. T., Ryan P. D. PAST: Paleontological Statistics Soft ware Package for Education and Data Analysis. Palaeontologia Electronica. 2001;4(1):1-9.

36. Pollegioni P., Woeste K., Chiocchini F., Del Lungo S., Ciolfi M., Olimpieri I. et al. Rethinking the history of common walnut (Juglans regia L.) in Europe: Its origins and human interactions. PLoS ONE. 2017;12(3):e0172541. DOI:10.1371/journal.pone.0172541