Полиморфизм 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 происхождения

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.

1. Boden 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.114.123794

2. Deng 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.0129781

3. Druka 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)01105-8

4. Huang 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/pld3.18

5. Khlestkina 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/s10681-010-0337-2

6. Khlestkina E.K. The adaptive role of flavonoids: emphasis on cereals. Cereal Research Communications. 2013;41(2):185-198. DOI: 10.1556/CRC.2013.0004

7. Khlestkina 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/S2079059715030077

8. Lu Y., Rausher M.D. Evolutionary rate variation in anthocyanin pathway genes. Molecular Biology and Evolution. 2003;20(11):1844-1853. DOI: 10.1093/molbev/msg197

9. Каталог 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.

10. McClung C.R. Circadian сlock components offer targets for crop domestication and improvement. Genes (Basel). 2021;12(3):374. DOI: 10.3390/genes12030374

11. Okonechnikov K., Golosova O., Fursov M.; UGENE team. Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinformatics. 2012;28(8):1166-1167. DOI: 10.1093/bioinformatics/bts091

12. Pääbo 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)81710-0

13. Peukert 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: 10.1186/1471-2156-14-97

14. Poinar 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.061014798

15. Rausher 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/s00239-008-9105-5

16. Rausher 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.a026108

17. Semilet 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/spbu03.2023.101

18. Семилет 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.

19. 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/s12870-017-1190-4

20. Shoeva 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.12277

21. Шоева 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/VJ18.369

22. Smith L. Genetics and cytology of barley. The Botanical Review. 1951;17:133-202. DOI: 10.1007/BF02861800

23. Tester M., Langridge P. Breeding technologies to increase crop production in a changing world. Science. 2010;327(5967):818-822. DOI: 10.1126/science.1183700

24. Vikhorev 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.6266

25. Zakhrabekova 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