ПЦР-тест для установления принадлежности разрушенных остатков карбонизированных семян к роду Hordeum L.

Археологи во время раскопок исторических памятников находят разнообразные артефакты, свидетельствующие о жизни и быте наших далеких предков. Особое внимание уделяется останкам живых организмов. Они свидетельствуют не только о хозяйственной деятельности древних земледельцев, но и помогают выявлять филогенетические взаимоотношения и процессы доместикации в мировых центрах разнообразия. Зачастую из-за длительного нахождения палеообъектов в условиях, не способствующих их сохранности, они разрушаются и становится невозможным определить их видовую принадлежность. Поэтому археологи все чаще прибегают к помощи палеогенетиков. В России известны работы по изучению древней ДНК (дДНК) из останков человека и животных. Однако, палеогенетические исследования ископаемых остатков растений, таких как пыльца, семена, древесина, немногочисленны. На территории Усвятского городища (Псковская область) в 2019 году были найдены карбонизированные зерновки зерновых культур. Находка датируется XII веком. В результате морфологического анализа смеси семян были обнаружены зерновки, степень разрушенности которых не позволяет определить видовую принадлежность по анализу микрорельефа. Поэтому целью данного исследования послужила разработка таксон-специфичных праймеров, дающих короткий продукт амплификации, для анализа фрагментированной дДНК разрушенных зерновок ячменя. В результате был разработан ПЦР-тест HORDELF, который рекомендуется к использованию при идентификации растительных остатков (карбонизированных семян), принадлежащих роду Hordeum L.

1. Adonina I.G., Orlovskaya O.A., Tereshchenko O.Yu., Korenb L.V., Khotyleva L.V., Shumnya V.K., Salina E.A. Development of commercially valuable traits in hexaploid Triticale lines with Aegilops introgressions as dependent on the genome composition. Russian Journal of Genetics. 2011;47(4):453-461. DOI: 10.1134/S1022795411040028

2. Antil S., Abraham J.S., Sripoorna S., Maurya S., Dagar J., Makhija S., Bhagat P., Gupta R., Sood U., Lal R., Toteja R. DNA barcoding, an effective tool for species identification: a review. Molecular Biology Reports. 2023;50(1):761-775. DOI: 10.1007/s11033-022-08015-7

3. Benito C., Silva-Navas J., Fontecha G., Hernandez-Riquer M.V., Eguren M., Salvador N., Gallego F.J. From the rye Alt3 and Alt4 aluminum tolerance loci to orthologous genes in other cereals. Plant Soil. 2010;327:107-120.

4. Bilgic H., Hakki E.E., Pandey A., Khan M.K., Akkaya M.S. Ancient DNA from 8400 year-old Çatalhöyük wheat: implications for the origin of neolithic agriculture. PLOS ONE. 2016;11(3):e0151974. DOI: 10.1371/journal.pone.0151974

5. Boden S.A., Weiss D., Ross J.J., Davies N.W., Trevaskis B., Chandler P.M., Swain S.M. EARLY FLOWERING 3 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

6. Bouby L. Lorge à deux range (Hordeum distichum) dans l’agriculture Gallo-Romaine: données archéobotaniques. Revue Archéométrie. 2001;25:35-44. [in French]

7. Bunning S.L., Jones G., Brown T.A. Next generation sequencing of DNA in 3300-year-old charred cereal grains. Journal Archaeology Science. 2012;39(8):2780-2784. DOI: 10.1016/j.jas.2012.04.012

8. Charles M., Bogaard A. Charred plant macro-remains from Jeitun: implications for early cultivation and herding practices in western Central Asia. In: D.R. Harris (ed.) Origins of agriculture in western Central Asia. An environmental-archaeological study. Philadelphia: University of Pennsylvania Museum of Archaeology and Anthropology. 2011:150-165. DOI: 10.9783/9781934536513

9. 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):1-18. DOI: 10.1371/journal.pone.0129781

10. Faure S., Turner A.S., Gruszka D., Christodoulou V., Davis S.J., Korffet von M., Laurie D. Mutation at the circadian clock gene Early maturity 8 adapts domesticated barley (Hordeum vulgare) to short growing seasons. PNAS. 2012;109(21):8328-8333. DOI: 10.1073/pnas.1120496109

11. Fernandez E., Thaw S. Brown T.A., Arroyo-Pardo E., Buxo R., Serret M.D., Araus J.L. DNA analysis in charred grains of naked wheat from several archaeological sites in Spain. Journal of Archaeological Science. 2013;40(1):659-670. DOI: 10.1016/j.jas.2012.07.014

12. GeneBank NCBI, National Center for Biotechnology Information; 2024. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nucleotide/ [accessed Dec. 3, 2024].

13. Grazina L., Amaral J.S., Mafra I. Botanical origin authentication of dietary supplements by DNA-based approaches. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2020;19:1080-1109. DOI: 10.1111/1541-4337.12551

14. Helback B.H. Domestication of food plants in the old world: joint efforts by botanists and archeologists illuminate the obscure history of plant domestication. Science. 1959;130(3372):365-372. DOI: 10.1126/science.130.3372.365

15. Hemming M.N., Walford S.A., Fieg S., Dennis E.S., Trevaskis B. Identification of high-temperature-responsive genes in cereals. Plant Physiology. 2012;158:1439-1450. DOI: 10.1104/pp.111.192013

16. Hill C.B., Li C. Genetic Architecture of Flowering Phenology in Cereals and Opportunities for Crop Improvement. Frontiers in Plant Science. 2016;19(7):1-23. DOI: 10.3389/fpls.2016.01906

17. 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(14). DOI: 10.1002/pld3.18

18. Jacomet S. Identification of cereal remains from archaeological sites. Basel: Basel University, Archaeobotany Lab IPAS; 2006.

19. Khlestkina E.K., Than M.H., Pestsova E.G., Röder M.S., Malyshev S.V., Korzun V., Börner A. Mapping of 99 new microsatellite-derived loci in rye (Secale cereale L.) including 39 expressed sequence tags. Theoretical and Applied Genetics. 2004;109:725-732. DOI: 10.1007/s00122-004-1659-z

20. Khlestkina E.K., Tereshchenko O.Y., Salina E.A. Anthocyanin biosynthesis genes location and expression in wheat-rye hybrids. Molecular Genetics and Genomics. 2009;282:475-485. DOI: 10.1007/s00438-009-0479-x

21. Khlestkina E.K., Shoeva O.Y. Intron loss in the chalcone-flavanone isomerase gene of rye. Molecular Breeding. 2014;33(4):953-959. DOI: 10.1007/s11032-013-0009-8

22. Kress W.J., Erickson D.L. DNA Barcodes Methods and Protocols. In: Kress W., Erickson D. (eds). DNA Barcodes. Methods in Molecular Biology. Vol 858. Humana Press, Totowa, NJ. Humana Press; 2012. p. 3-8. DOI: 10.1007/978-1-61779-591-6_1

23. Li X., Yang Y., Henry R.J., Rossetto M., Wang Y., Chen S. Plant DNA barcoding: from gene to genome. Biological reviews of the Cambridge Philosophical Society. 2015;90(1):157-66. DOI: 10.1111/brv.12104

24. Lister D.L., Jones H., Jones M.K., O'Sullivan D.M., Cockram J. Analysis of DNA polymorphism in ancient barley herbarium material: validation of the KASP SNP genotyping platform. Taxon. 2013;62(4):779-89. DOI: 10.12705/624.9

25. Pavlik B.M., del Rio A., Bamberg J., Louderback L.A. Evidence for human-caused founder effect in populations of Solanum jamesii at archaeological sites: II. Genetic sequencing establishes ancient transport across the Southwest USA. American Journal of Botany. 2024;111(7):e16365. DOI: 10.1002/ajb2.16365

26. Pérez-Escobar O.A, Tusso S., Przelomska N.A.S., Wu S., Ryan P., Nesbitt M., Silber M.V., Preick M., Fei Z., Hofreiter M., Chomicki G., Renner S.S., Genome sequencing of up to 6,000-year-old Citrullus seeds reveals use of a bitter-fleshed species prior to watermelon domestication. Molecular Biology and Evolution. 2022;39(8):msac168. DOI: 10.1093/molbev/msac168

27. Phytozome 13, The Plant Genomic Resource; 2024. Available from: https://phytozome-next.jgi.doe.gov/report/transcript/HvulgareMorex_V3/ HORVU.MOREX.r3.3HG0292270.1 [accessed Dec. 3, 2024]

28. Pollmann B., Jacomet S., Schlumbaum A. Morphological and genetic studies of waterlogged Prunus species from the Roman vicus Tasgetium (Eschenz, Switzerland). Journal of Archaeological Science. 2005;32(10):1471-1480. DOI: 10.1016/j.jas.2005.04.002

29. Richards S.M., Li L., Breen J., Hovhannisyan N., Estrada O., Gasparyan B., Gilliham M., Smith A., Cooper A., Zhang H. Recovery of chloroplast genomes from medieval millet grains excavated from the Areni-1 cave in Southern Armenia. Scientific reports. 2022;12(1). DOI: 10.1038/s41598-022-17931-4

30. Riehl S., Pustovoytov K.E., Weippert H., Klett S., Hole F. Drought stress variability in ancient Near Eastern agricultural systems evidenced by δ13C in barley grain. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2014;111(34):12348-12353. DOI: 10.1073/pnas.1409516111

31. Sadder M., Brake M., Ayoub S., Abusini Y., Al-Amad I., Haddad N. Complete mitochondrial genome sequence of historical olive (Olea europaea Linnaeus 1753 subsp. europaea) cultivar Mehras in Jordan. Mitochondrial DNA Part B: Resourses. 2023;8(11):1205-1208. DOI: 10.1080/23802359.2023.2275828

32. 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

33. Schubert M., Ermini L., Sarkissian C., Jónsson H., Ginolhac A., Schaefer R., Martin M.D., Fernández R., Kircher M., McCue M., Willerslev E., Orlando L. Characterization of ancient and modern genomes by SNP detection and phylogenomic and metagenomic analysis using PALEOMIX. Nature Protocols. 2014;9:1056-1082. DOI: 10.1038/nprot.2014.063

34. Vallebueno-Estrada M., Hernandez-Robles G.G., González-Orozco E., Lopez-Valdivia I., Rosales Tham T., Vasquez Sanchez V., Swarts K., Dillehay T.D., Vielle-Calzada J.P., Montiel R. Domestication and lowland adaptation of coastal preceramic maize from Paredones, Peru. Elife. 2023;12:e83149. DOI: 10.7554/eLife.83149. Erratum in: Elife. 2023;12:e91314.

35. Wang X., Zhao X., Zhu J., Wu W. Genome-wide investigation of intron length polymorphisms and their potential as molecular markers in rice (Oryza sativa L.). DNA Research. 2005;12(6):417-427. DOI: 10.1093/dnares/dsi019

36. Wales N., Andersen K., Cappellini E., Ávila-Arcos M.C., Gilbert M.T.P. Optimization of DNA recovery and amplification from non-carbonized archaeobotanical remains. PLoS ONE. 2014;9(1):e86827. DOI: 10.1371/journal.pone.0086827

37. Wales N., Kistler L. Extraction of ancient DNA from plant remains. Methods Molecular Biology. 2019:45-55. DOI: 10.1007/978-1-4939-9176-1_6

38. 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. PNAS USA. 2012;109(11):4326-4331. DOI: 10.1073/pnas.1113009109