bioselБиотехнология и селекция растенийPlant Biotechnology and Breeding2658-62662658-6258VIR10.30901/2658-6266-2024-2-o6biosel-233Research ArticleИЗУЧЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ РАСТЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКИSTUDY OF PLANT GENETIC RESOURCES USING MOLECULAR GENETICS METHODSПолиморфизм ДНК в локусах, связанных с адаптацией ячменя к условиям окружающей среды, при сравнении выборок семян из археологических раскопов XII века с образцами из коллекции ВИР различного географического происхожденияDNA polymorphism in loci associated with the adaptation of barley to environmental conditions, when comparing seed samples from archaeological excavations of the 12th century with the VIR collection accessions of different geographical originhttps://orcid.org/0000-0001-7275-3878СемилетТ. В.SemiletT. V.

Татьяна Вячеславовна Семилет, младший научный сотрудник, лаборатория постгеномных исследований, ВИР

190000 Россия, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Tatiana V. Semilet, Junior Research Associate, Laboratory of Postgenomic Research, VIR

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg, 190000 Russia

t.semilet@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1958-5008ШвачкоН. А.ShvachkoN. A.

Наталия Альбертовна Швачко, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник, заведующая, лаборатория постгеномных исследований, ВИР

190000 Россия, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Natalia A. Shvachko, Cand. Sci. (Biology), Leading Researcher, Head, Laboratory of Postgenomic Research, VIR

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg, 190000 Russia

n.shvachko@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3990-6526КовалеваО. Н.KovalevaO. N.

Ольга Николаевна Ковалева, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник, отдел генетических ресурсов растений овса, ржи, ячменя, ВИР

190000 Россия, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Olga N. Kovaleva, Cand. Sci. (Biology), Leading Researcher, Department of Genetic Resources of Oats, Rye, Barley, VIR

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg, 190000 Russia 

o.kovaleva@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7590-3173ШипилинаЛ. Ю.ShipilinaL. Yu.

Лилия Юрьевна Шипилина, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, лаборатория мониторинга биоресурсов и археоботаники, ВИР

190000 Россия, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 42, 44

Liliya Yu. Shipilina, Cand. Sci. (Biology), Senior Researcher, Laboratory of bioresources monitoring and archaeobotany, VIR

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg, 190000 Russia

l.shipilina@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8470-8254ХлесткинаЕ. К.KhlestkinaE. K.

Елена Константиновна Хлесткина, доктор биологических наук, профессор РАН, директор, ВИР

190000 Россия, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 42, 44

Elena K. Khlestkina, Dr. Sci. (Biology), Professor of the Russian Academy of Sciences (RAS), Director, VIR

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg, 190000 Russia

director@vir.nw.ruФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. ВавиловаРоссияN.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic ResourcesRussian Federation202426082024726774Copyright © Семилет Т.В., Швачко Н.А., Ковалева О.Н., Шипилина Л.Ю., Хлесткина Е.К., 20242024Семилет Т.В., Швачко Н.А., Ковалева О.Н., Шипилина Л.Ю., Хлесткина Е.К.Semilet T.V., Shvachko N.A., Kovaleva O.N., Shipilina L.Y., Khlestkina E.K.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://biosel.elpub.ru/jour/article/view/233

При изучении полиморфизма ДНК древних семян, имевших значение для жизнедеятельности человека, найденных в ходе археологических раскопок, и сравнении их с современными образцами, можно, в зависимости от эволюционной значимости/нейтральности выявляемых отличий, либо находить следы адаптации форм, используемых в древности, к неблагоприятным условиям окружающей среды, либо уточнять происхождение образцов, получая дополнительные свидетельства о торгово-экономических связях между разными регионами в разные эпохи. Целью настоящей работы было изучить полиморфизм ДНК при сравнении семян ячменя XII века из Усвятского городища Псковской области и образцов из коллекции ВИР различного географического происхождения при использовании данных секвенирования последовательностей генов CHI и ELF3. Из 18 полиморфных SNP-локусов, выявленных в изучаемых генах при анализе исследуемой выборки ячменя, для семи SNP удалось ресеквенировать контекстные последовательности в образцах древней ДНК. Выявленные аллельные изменения в данных семи SNP-локусах являются нейтральными, не приводят к заменам аминокислот, поэтому могут использоваться для сравнительного анализа происхождения образцов. Гаплотип, установленный у древнего ячменя по изученным семи SNP, не совпал полностью ни с одним из исследованных образцов коллекции ВИР. Вместе с тем, по редко встречающимся аллелям выявлено сходство с белорусским сортом ‘Криничный’, а по часто встречающимся аллелям – с несколькими образцами H.vulgare L. разного происхождения (Швеция, Дания, Армения), а также с H. spontaneum (K. Koch) Thell.

When studying the DNA polymorphism of ancient seeds from archaeological excavations, and comparing them with modern ones, it is possible, depending on the evolutionary significance/neutrality of the identified differences, to either find traces of adaptation of genotypes used in ancient times to unfavorable environmental conditions, or to clarify the origin of the samples, establishing additional evidence of trade and economic ties between different regions in different eras. The purpose of this work was to study the DNA polymorphism by comparing the 12th-century barley seeds from the Usvyaty settlement of the Pskov Region and VIR collection accessions of different geographical origin using the CHI and ELF3 gene fragments sequencing data. Of the 18 polymorphic SNP loci identified in the studied genes during the analysis of the barley samples under study, seven SNPs were from the regions amenable for resequencing in ancient DNA samples. The identified allelic changes in those seven SNP loci were neutral and did not lead to amino acid substitutions, therefore they can be used for a comparative analysis of the sample origin. The haplotype revealed in ancient barley based on the seven studied SNPs did not completely coincide with any of the studied accessions from the VIR collection. At the same time, rare alleles showed similarities with a Belarusian cultivar ‘Krinichny’, and the frequently occurring ones with several accessions of H. vulgare L. of different origin (Sweden, Denmark, Armenia), as well as with H. spontaneum (K. Koch) Thell.

SNPбиологическая коллекцияген CHIген ELF3древняя ДНКотборпалеоботаникапалеогенетикасеквенированиеячменьSNPbiological collectionCHI geneELF3 geneancient DNAselectionpaleobotanypaleogeneticssequencingbarleyРабота выполнена в рамках темы НИР № 0481-2022-0007 «Выявление новых генетических маркеров селекционно значимых свойств и новых аллельных вариантов хозяйственно ценных генов в генофонде культурных растений и их диких родичей при помощи геномных и постгеномных технологий».The work was carried out within the framework of research topic No. 0481-2022-0007 “Identification of new genetic markers of properties of importance for breeding and new allelic variants of economically valuable genes in the gene pool of cultivated plants and their wild relatives using genomic and post-genomic technologies”.ReferencesBoden S.A., Weiss D., Ross J.J., Davies N.W., Trevaskis B., Chandler P.M., Swain S.M. EARLY FLOWERING3 regulates flowering in spring barley by mediating gibberellin production and FLOWERING LOCUS T Expression. The Plant Cell. 2014;26(4):1557-1569. DOI: 10.1105/tpc.114.123794Boden S.A., Weiss D., Ross J.J., Davies N.W., Trevaskis B., Chandler P.M., Swain S.M. EARLY FLOWERING3 regulates flowering in spring barley by mediating gibberellin production and FLOWERING LOCUS T Expression. The Plant Cell. 2014;26(4):1557-1569. DOI: 10.1105/tpc.114.123794Deng W., Clausen J., Boden S., Oliver S.N., Casao M.C., Ford B., Anderssen R.S., Trevaskis B. Dawn and Dusk Set States of the Circadian Oscillator in Sprouting Barley (Hordeum vulgare) Seedlings. PLOS ONE. 2015;10(6):e0129781. DOI: 10.1371/journal.pone.0129781Deng W., Clausen J., Boden S., Oliver S.N., Casao M.C., Ford B., Anderssen R.S., Trevaskis B. Dawn and Dusk Set States of the Circadian Oscillator in Sprouting Barley (Hordeum vulgare) Seedlings. PLOS ONE. 2015;10(6):e0129781. DOI: 10.1371/journal.pone.0129781Druka A., Kudrna D., Rostoks N., Brueggeman R., von Wettstein D., Kleinhofs A. Chalcone isomerase gene from rice (Oryza sativa) and barley (Hordeum vulgare): physical, genetic and mutation mapping. Gene. 2003;302(1–2):171-178. DOI: 10.1016/S0378-1119(02)01105-8Druka A., Kudrna D., Rostoks N., Brueggeman R., von Wettstein D., Kleinhofs A. Chalcone isomerase gene from rice (Oryza sativa) and barley (Hordeum vulgare): physical, genetic and mutation mapping. Gene. 2003;302(1–2):171-178. DOI: 10.1016/S0378-1119(02)01105-8Huang H., Gehan M.A., Huss S.E., Alvarez S., Lizarraga C., Gruebbling E.L., Gierer J., Naldrett M.J., Bindbeutel R.K., Evans B.S., Mockler T.C., Nusinow D.A. Cross-species complementation reveals conserved functions for EARLY FLOWERING 3 between monocots and dicots. Plant Direct. 2017;1(4):e00018. DOI: 10.1002/pld3.18Huang H., Gehan M.A., Huss S.E., Alvarez S., Lizarraga C., Gruebbling E.L., Gierer J., Naldrett M.J., Bindbeutel R.K., Evans B.S., Mockler T.C., Nusinow D.A. Cross-species complementation reveals conserved functions for EARLY FLOWERING 3 between monocots and dicots. Plant Direct. 2017;1(4):e00018. DOI: 10.1002/pld3.18Khlestkina E., Salina E., Matthies I., Leonova I., Börner A., Röder M. Comparative molecular marker-based genetic mapping of flavanone 3-hydroxylase genes in wheat, rye and barley. Euphytica. 2011;179:333-341. DOI: 10.1007/s10681-010-0337-2Khlestkina E., Salina E., Matthies I., Leonova I., Börner A., Röder M. Comparative molecular marker-based genetic mapping of flavanone 3-hydroxylase genes in wheat, rye and barley. Euphytica. 2011;179:333-341. DOI: 10.1007/s10681-010-0337-2Khlestkina E.K. The adaptive role of flavonoids: emphasis on cereals. Cereal Research Communications. 2013;41(2):185-198. DOI: 10.1556/CRC.2013.0004Khlestkina E.K. The adaptive role of flavonoids: emphasis on cereals. Cereal Research Communications. 2013;41(2):185-198. DOI: 10.1556/CRC.2013.0004Khlestkina E.K., Shoeva O.Y., Gordeeva E.I. Flavonoid biosynthesis genes in wheat. Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2015;5(3):268-278. DOI: 10.1134/S2079059715030077Khlestkina E.K., Shoeva O.Y., Gordeeva E.I. Flavonoid biosynthesis genes in wheat. Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2015;5(3):268-278. DOI: 10.1134/S2079059715030077Lu Y., Rausher M.D. Evolutionary rate variation in anthocyanin pathway genes. Molecular Biology and Evolution. 2003;20(11):1844-1853. DOI: 10.1093/molbev/msg197Lu Y., Rausher M.D. Evolutionary rate variation in anthocyanin pathway genes. Molecular Biology and Evolution. 2003;20(11):1844-1853. DOI: 10.1093/molbev/msg197Каталог мировой коллекции ВИР. Вып. 632. Ячмень. Исходный материал для селекции в Нечерноземной зоне России / сост.: М.В. Лукьянова, Н.В. Ильина, Н.С. Иванова, Г. Хохлова, О.А. Иванова, Н.И. Лукина, Н.Р. Тюлина, Л.В. Аникина, Г.М. Богданова, Н.Н. Иванова, Н.Д. Никитина, И.А. Терентьева. Санкт-Петербург: ВИР; 1992.Lukyanova M.V., Ilyina N.V., Ivanova N.S., Khokhlova G., Ivanova O.A., Lukina N.I., Tyulina N.R., Anikina L.V., Bogdanova G.M., Ivanova N.N., Nikitina N.D., Terentyeva I.A. (comp.). Catalogue of the VIR global collection. Iss. 632. Barley. Source material for breeding in the Non-Black Earth Zone of Russia (Yachmen'. Iskhodnyi material dlya selektsii v Nechernozemnoy zone Rossii). St. Petersburg: VIR; 1992. [in Russian]McClung C.R. Circadian сlock components offer targets for crop domestication and improvement. Genes (Basel). 2021;12(3):374. DOI: 10.3390/genes12030374McClung C.R. Circadian сlock components offer targets for crop domestication and improvement. Genes (Basel). 2021;12(3):374. DOI: 10.3390/genes12030374Okonechnikov K., Golosova O., Fursov M.; UGENE team. Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinformatics. 2012;28(8):1166-1167. DOI: 10.1093/bioinformatics/bts091Okonechnikov K., Golosova O., Fursov M.; UGENE team. Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinformatics. 2012;28(8):1166-1167. DOI: 10.1093/bioinformatics/bts091Pääbo S., Higuchi R.G., Wilson A.C. Ancient DNA and the polymerase chain reaction. The emerging field of molecular archaeology. The Journal of Biological Chemistry. 1989;264(17):9709-9712. DOI: 10.1016/S0021-9258(18)81710-0Pääbo S., Higuchi R.G., Wilson A.C. Ancient DNA and the polymerase chain reaction. The emerging field of molecular archaeology. The Journal of Biological Chemistry. 1989;264(17):9709-9712. DOI: 10.1016/S0021-9258(18)81710-0Peukert M., Weise S., Röder M.S., Matthies I.E. Development of SNP markers for genes of the phenylpropanoid pathway and their association to kernel and malting traits in barley. BMC Genetics. 2013;14:97. DOI: 10.1186/1471-2156-14-97Peukert M., Weise S., Röder M.S., Matthies I.E. Development of SNP markers for genes of the phenylpropanoid pathway and their association to kernel and malting traits in barley. BMC Genetics. 2013;14:97. DOI: 10.1186/1471-2156-14-97Poinar H.N., Kuch M., Sobolik K.D., Barnes I., Stankiewicz A.B., Kuder T., Spaulding W.G., Bryant V.M., Cooper A., Pääbo S. A molecular analysis of dietary diversity for three archaic Native Americans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2001;98(8):4317-4322. DOI: 10.1073/pnas.061014798Poinar H.N., Kuch M., Sobolik K.D., Barnes I., Stankiewicz A.B., Kuder T., Spaulding W.G., Bryant V.M., Cooper A., Pääbo S. A molecular analysis of dietary diversity for three archaic Native Americans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2001;98(8):4317-4322. DOI: 10.1073/pnas.061014798Rausher M.D., Lu Y., Meyer K. Variation in constraint versus positive selection as an explanation for evolutionary rate variation among anthocyanin genes. Journal of Molecular Evolution. 2008;67(2):137-144. DOI: 10.1007/s00239-008-9105-5Rausher M.D., Lu Y., Meyer K. Variation in constraint versus positive selection as an explanation for evolutionary rate variation among anthocyanin genes. Journal of Molecular Evolution. 2008;67(2):137-144. DOI: 10.1007/s00239-008-9105-5Rausher M.D., Miller R.E., Tiffin P. Patterns of evolutionary rate variation among genes of the anthocyanin biosynthetic pathway. Molecular Biology and Evolution. 1999;16(2):266-274. DOI: 10.1093/oxfordjournals.molbev.a026108Rausher M.D., Miller R.E., Tiffin P. Patterns of evolutionary rate variation among genes of the anthocyanin biosynthetic pathway. Molecular Biology and Evolution. 1999;16(2):266-274. DOI: 10.1093/oxfordjournals.molbev.a026108Semilet T., Shvachko N., Smirnova N., Shipilina L., Khlestkina E. Using DNA markers to reconstruct the lifetime morphology of barley grains from carbonized cereal crop remains unearthed at Usvyaty Settlement. Biological Communications. 2023;68(1):3-9. DOI: 10.21638/spbu03.2023.101Semilet T., Shvachko N., Smirnova N., Shipilina L., Khlestkina E. Using DNA markers to reconstruct the lifetime morphology of barley grains from carbonized cereal crop remains unearthed at Usvyaty Settlement. Biological Communications. 2023;68(1):3-9. DOI: 10.21638/spbu03.2023.101Семилет Т.В., Смирнова Н.В., Швачко Н.А., Ковалева О.Н., Хлесткина Е.К. Восстановление архитектоники колоса древнего ячменя из раскопа Усвятского городища XII века. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. [в печати] 2024.Semilet T.V., Smirnova N.V., Shvachko N.A., Kovaleva O.N., Khlestkina E.K. Restoration of the spike architectonics in ancient barley excavated at the twelfth-century settlement of Usvyaty. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. [preprint] 2024. [in Russian]Shoeva O.Y., Glagoleva A.Y., Khlestkina E.K. The factors affecting the evolution of the anthocyanin biosynthesis pathway genes in monocot and dicot plant species. BMC Plant Biology. 2017;17(Suppl 2):256. DOI: 10.1186/s12870-017-1190-4Shoeva O.Y., Glagoleva A.Y., Khlestkina E.K. The factors affecting the evolution of the anthocyanin biosynthesis pathway genes in monocot and dicot plant species. BMC Plant Biology. 2017;17(Suppl 2):256. DOI: 10.1186/s12870-017-1190-4Shoeva O.Y., Kukoeva T.V., Börner A., Khlestkina E.K. Barley Ant1 is a homolog of maize C1 and its product is part of the regulatory machinery governing anthocyanin synthesis in the leaf sheath. Plant Breeding. 2015;134(4):400-405. DOI: 10.1111/pbr.12277Shoeva O.Y., Kukoeva T.V., Börner A., Khlestkina E.K. Barley Ant1 is a homolog of maize C1 and its product is part of the regulatory machinery governing anthocyanin synthesis in the leaf sheath. Plant Breeding. 2015;134(4):400-405. DOI: 10.1111/pbr.12277Шоева О.Ю., Стрыгина К.В., Хлесткина Е.К. Гены, контролирующие синтез флавоноидных и меланиновых пигментов ячменя. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2018;22(3):333-342. DOI: 10.18699/VJ18.369Shoeva O.Yu., Strygina K.V., Khlestkina E.K. Genes determining the synthesis of flavonoid and melanin pigments in barley. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018;22(3):333-342. [in Russian]. DOI: 10.18699/VJ18.369Smith L. Genetics and cytology of barley. The Botanical Review. 1951;17:133-202. DOI: 10.1007/BF02861800Smith L. Genetics and cytology of barley. The Botanical Review. 1951;17:133-202. DOI: 10.1007/BF02861800Tester M., Langridge P. Breeding technologies to increase crop production in a changing world. Science. 2010;327(5967):818-822. DOI: 10.1126/science.1183700Tester M., Langridge P. Breeding technologies to increase crop production in a changing world. Science. 2010;327(5967):818-822. DOI: 10.1126/science.1183700Vikhorev A.V., Strygina K.V., Khlestkina E.K. Duplicated flavonoid 3’-hydroxylase and flavonoid 3’,5’-hydroxylase genes in barley genome. PeerJ. 2019;7(1):e6266. DOI: 10.7717/peerj.6266Vikhorev A.V., Strygina K.V., Khlestkina E.K. Duplicated flavonoid 3’-hydroxylase and flavonoid 3’,5’-hydroxylase genes in barley genome. PeerJ. 2019;7(1):e6266. DOI: 10.7717/peerj.6266Zakhrabekova S., Gough S.P., Braumann I., Müller A.H., Lundqvist J., Ahmannet K., Dockter C., Matyszczak I., Kurowska M., Druka A., Waugh R., Graner A., Stein N., Steuernagel B., Lundqvist U., Hansson M. Induced mutations in circadian clock regulator Mat-a facilitated short-season adaptation and range extension in cultivated barley. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2012;109(11):4326-4331. DOI: 10.1073/pnas.1113009109Zakhrabekova S., Gough S.P., Braumann I., Müller A.H., Lundqvist J., Ahmannet K., Dockter C., Matyszczak I., Kurowska M., Druka A., Waugh R., Graner A., Stein N., Steuernagel B., Lundqvist U., Hansson M. Induced mutations in circadian clock regulator Mat-a facilitated short-season adaptation and range extension in cultivated barley. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2012;109(11):4326-4331. DOI: 10.1073/pnas.1113009109

The authors declare that there are no conflicts of interest present.