Идентификация видов вики рода Vicia L. по составу основных полипептидов 11S глобулина семян на примере V. narbonensis complex и V. pannonica Crantz

Для сохранения чистоты, контроля идентичности, при репродуцировании поступающих в коллекцию семян разных таксономических групп растений требуется разработка простых и быстрых скрининговых методов, позволяющих осуществлять предварительную идентификацию и регистрацию материала. Наиболее подходящим для этих целей является метод SDS-электрофореза запасных белков семян. Однако его варианты, известные из литературы, преимущественно включают анализ полного белкового спектра, который, как правило, весьма гетерогенен, что осложняет интерпретацию результатов. Наша задача – найти в этом многокомпонентном спектре четко идентифицируемую и специфичную для конкретного вида группу полипептидов конкретного белка. Объектом исследования послужили белки семян 47 образцов пяти видов Vicia L. subgenus Vicia, которые были проанализированы методом SDS-электрофореза в 12,5% ПААГ.

Сопоставлением спектров белков суммарного экстракта семян, разделенных электрофорезом в присутствии 2-меркаптоэтанола и без него, была идентифицирована группа основных полипептидов 11S глобулина – легумина, по которой можно визуально однозначно определять видовую принадлежность семян вики, причем как у самоопыляющихся, так и у перекрестноопыляемых видов. Обнаружено, что в пределах вида образцы различались только по интенсивности отдельных компонентов, но не по компонентному составу, что указывает на видоспецифичность спектра основных полипептидов 11S глобулина. Четкие различия по составу основных полипептидов наблюдались между близкородственными и трудноразличимыми в полевых условиях видами V. narbonensis complex. Видовая специфичность спектров данной группы полипептидов коррелирует с репродуктивной изоляцией видов. В свою очередь, культурные и сорнополевые образцы вики паннонской (V. pannonica Crantz) различного географического происхождения из коллекции ВИР с вероятно преимущественно перекрестным опылением проявили сходство по спектрам основных полипептидов легумина. Спектры основных полипептидов 11S глобулина видов V. hyaeniscyamus Mout., V. narbonensis L., V. serratifolia Jacq., V. johannis Tamamschjan in Karyagin, и V. pannonica Crantz были зарегистрированы по «соевой шкале» в виде «полипептидной формулы». Таким образом, предложенный метод, включающий идентификацию основных полипептидов 11S глобулина в многокомпонентном спектре белков семян, может быть рекомендован для быстрого скрининга семенных коллекций как самоопыляющихся, так и перекрестноопыляемых видов рода Vicia. Данный простой метод также имеет перспективу использования для определения видовой принадлежности образцов других двудольных культур.

1. Aleksandrova T. Vetches cultivated in the Russian Federation. In: International congress on oil and protein crops. Abstract book; 2018 May 20-24; Chisinau, Republic of Moldova. European Association for Research on Plant Breeding; Scientific Association of Geneticists and Breeders of the Republic of Moldova; 2018. p.59.

2. Ali H.B., Osman S.A. Genetic relationship study of some Vicia species by FISH and total seed storage protein patterns. Journal of Genetic Engineering and Biotechnology. 2020;18(1):37. DOI: 10.1186/s43141-020-00054-6

3. Bechkri S., Medoukali I., Khelifi D. Ecogeographic variability and genetic diversity associated with seed albumins, globulins and prolamins patterns in Vicia taxa from Algeria. Botanical Studies. 2017;58:1-5. DOI: 10.1186/s40529-017-0177-7

4. Bennett S.J., Maxted N. An ecogeographic analysis of the Vicia narbonensis complex. Genetic Resources and Crop Evolution. 1997;44:411-428. DOI: 10.1023/A:1008688919569

5. Bosmali I, Lagiotis G, Haider N, Osathanunkul M, Biliaderis C, Madesis P. DNA-based identification of Eurasian Vicia species using chloroplast and nuclear DNA barcodes. Plants. 2022;11(7):947. DOI: 10.3390/plants11070947

6. Bouabid S., Jemai L., Zoghlami Khélil A. Evaluation of the breeding system of two Vicia narbonensis L. accessions from East Mediterranean region. Euro-Mediterranean Journal for Environmental Integration. 2019;4:14. DOI: 10.1007/s41207-018-0095-4

7. Breeding systems table. Available from: https://cropgenebank.sgrp.cgiar.org/images/ file/forage_legumes/breeding%20systems%20table.pdf. [accessed Nov. 15, 2024].

8. Cooke R.J. (ed.). Handbook of variety testing. Electrophoresis handbook: variety identification., Cambridge: Chemistry and QA Department, National Institute of Agricultural Botany; 1992. Available from: https://www.seedtest.org/en/ publications/handbooks.html [accessed Nov. 15, 2024]

9. Cooke R.J. Gel electrophoresis for the identification of plant varieties. Journal of Chromatography A. 1995;698(1-2):281-299. DOI: 10.1016/0021-9673(94)00649-T

10. Dhull S.B., Kidwai M.K., Noor R., Chawla P., Rose P.K. A review of nutritional profile and processing of faba bean (Vicia faba L.). Legume Science. 2022;4(3):e129. DOI: 10.1002/leg3.129

11. Егги Э.Э. Идентификация сортов люпина узколистного (Lupinus angustifolius L.) с использованием электрофоретического спектра полипептидов белков семян: методические указания / под ред. И.П. Гаврилюк. Санкт-Петербург: ВИР; 2013.

12. Егги Э.Э. Электрофорез белков семян для сортовой идентификации высокополиморфных культур на примере козлятника восточного (Galega orientalis Lam.). Аграрная Россия. 2015;(11):14-20. DOI: 10.30906/1999-5636-2015-11-14-20

13. Егги Э.Э., Александрова Т.Г. Определение соответствия неизвестного образца вики посевной сорту Юбилейная 110 по данным морфологии и электрофореза белков семян. Зернобобовые и крупяные культуры. 2019;4(32):71-81. DOI: 10.24411/2309-348X-2019-11135

14. Егги Э.Э., Александрова Т.Г., Семенова Е.В. Метод SDS электрофореза для мониторинга и сохранения чистоты коллекций бобовых культур. В кн.: 125 лет прикладной ботаники в России: сборник тезисов конференции; 25-28 ноября 2019 г.; Санкт-Петербург, Россия. Санкт-Петербург: ВИР; 2019. С.80. URL: http://www.vir.nw.ru/wp-content/uploads/2019/11/Sbornik-tezisov_125-let-prikladnoj-botaniki-v-Rossii-2.pdf [дата обращения: 19.11.2024].

15. El-Badan G.E., Amin A.W., Ashour F.M., El-Sadek L.M. Allele frequency and genetic diversity of some species of genus Vicia L. using SDS-PAGE technique. Egyptian Journal of Botany. 2021;61(2):491-511. DOI: 10.21608/ejbo.2021.47720.1579

16. El-Badan G.E., Amin A.W., Ashour F.M., El Sadek L.M. Characterization of the genetic diversity of some species of genus Vicia using ISSR and ITS molecular techniques. Egyptian Journal of Botany. 2022;62(2):475-492. DOI: 10.21608/ ejbo.2022.84745.1732

17. Enneking D., Maxted N. Narbon bean: Vicia narbonensis L. (Leguminosae). Evolution of Crop Plants. 1995:316-21.

18. Firincioğlu H.K., Ünal S., Doğruyol L. Phenotypic variation of Vicia pannonica Crantz (var. pannonica and var. purpurascens) in central Turkey. Journal of Central European Agriculture. 2011;12(1):82-91. DOI: 10.5513/JCEA01/12.1.882

19. Gianfranco V., Ravalli C., Cremonini R. The karyotype as a tool to identify plant species: Vicia species belonging to Vicia subgenus. Caryologia. 2008;61(3):300-319. DOI: 10.1080/00087114.2008.10589642

20. Han S., Sebastin R., Wang X., Lee K.J., Cho G.T., Hyun D.Y., Chung J.W. Identification of Vicia species native to South Korea using molecular and morphological characteristics. Frontiers in Plant Science. 2021;12:608559. DOI: 10.3389/fpls.2021.608559

21. Hasan A.A., Haddad D.A., Ali L.M. The phylogenetic relationships between species of Vicia L. based on morphological characteristics and proteins present in seeds. Asian Journal of Research in Botany. 2023;6(2):225-232. Available from: http://science.sdpublishers.org/id/eprint/1656/1/Hasan622023AJRIB106921.pdf [accessed Oct. 31, 2024].

22. Heim U., Schubert R., Bäumlein H., Wobus U. The legumin gene family: structure and evolutionary implications of Vicia faba B-type genes and pseudogenes. Plant Molecular Biology. 1989;13:653-663. DOI: 10.1007/BF00016020

23. Horstmann C., Schlesier B., Otto A., Kostka S., Müntz K. Polymorphism of legumin subunits from field bean (Vicia faba L. var. minor) and its relation to the corresponding multigene family. Theoretical and Applied Genetics. 1993;86;867-874. DOI: 10.1007/BF00212614

24. Ibañez S., Medina M.I., Agostini E. Vicia: a green bridge to clean up polluted environments. Applied Microbiology and Biotechnology. 2020;104;13-21. DOI: 10.1007/s00253-019-10222-5

25. Ilieva A., Naidenova G. Phenotypic evaluation of variability in quality traits of Hungarian vetch (Vicia pannonica ssp. pannonica Crantz) accessions. Bulgarian Journal of Crop Science. 2016;53(4):63-67.

26. Interactive agricultural ecological atlas of Russia and neighboring countries. Available from: https://agroatlas.ru/en/content/related/Vicia_pannonica/index.html [accessed Nov. 12, 2024].

27. Khalid U., Waheed M.Q., Parveen N., Arif M.A.R., Arif A. Estimation of genetic diversity using seed storage protein (SSP) profiling in wild and cultivated species of Cicer L. Molecular Biology Reports. 2023;50(5):4175-4185. DOI: 10.1007/s11033-023-08358-9

28. Khalik K.N.A., Al-Gohary I.H. Taxonomic relationships in some Vicia species from Egypt, based on seed morphology and SDS-PAGE of seed proteins. Acta Scientiarum-Biological Sciences. 2013;35(4):603-611. DOI: 10.4025/actascibiolsci.v35i4.19345

29. Konarev A.V., Tomooka N., Vaughan D.A. Proteinase inhibitor polymorphism in the genus Vigna subgenus Ceratotropis and its biosystematic implications. Euphytica. 2002;123:165-177. DOI: 10.1023/A:1014920309710

30. Konarev Al.V. Insect and fungal enzyme inhibitors in study of variability, evolution and resistance of wheat and other Triticeae Dum. cereals. In: P.R. Shewry, A.S. Tatham (eds). Wheat Gluten. Cambridge: Royal Society of Chemistry; 2000. p.526-530. DOI: 10.1039/9781847552372-00526

31. Конарев Ал.В., Егги Э.Э., Александрова Т.Г. Протеолитическая деградация белков семян видов вики (Vicia L. subgenus Vicia) секции Peregrinae Kupicha при SDS-электрофорезе и еe предотвращение. Биотехнология и селекция растений. 2024;7(3):5-18. DOI: 10.30901/2658-6266-2024-3-o2

32. Идентификация сортов и регистрация генофонда культурных растений по белкам семян / под ред. В.Г. Конарева. Санкт-Петербург: ВИР; 2000.

33. Laemmli U.K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 1970;227(5259):680-685. DOI: 10.1038/227680a0

34. Maxted N. A phenetic investigation of Vicia L. subgenus Vicia (Leguminosae, Vicieae). Botanical Journal of the Linnean Society. 1993;111(2):155-182. DOI: 10.1006/bojl.1993.1013

35. Мазин А.М., Егги Э.Э. Сравнительная оценка сортообразцов клевера лугового с оригиналом сорта Псковский местный двуукосный. Кормопроизводство. 2021(6):16-21. DOI: 10.25685/KRM.2021.35.75.001

36. McGregor S.E. Clover and some relatives. In: McGregor S.E. Insect pollination for cultivated crop plants. Chapter 3. Agricultural Research Service, U.S. Department of Agriculture; 1976. Available from: https://www.ars.usda.gov/ ARSUserFiles/20220500/OnlinePollinationHandbook.pdf [accessed Nov. 12, 2024].

37. Mirali N. The use of SDS-PAGE seed protein variability within and among accessions to predict the mating system of some Vicia species. Journal of Genetics and Breeding. 2005;59(3/4):253.

38. Потокина Е.К., Александрова Т.Г. Особенности опыления у однолетних видов рода Vicia (Fabaceae). Ботанический журнал. 1996;81(1):74-79.

39. Potokina E., Endo Y., Eggi E., Ohashi H. Electrophoretic patterns of seed proteins in the East Asian Vicia species (Leguminosae) and their systematic utility. Journal of Japanese Botany. 2003;78(1):29-37.

40. Salehi B., Abu‐Reidah I.M., Sharopov F., Karazhan N., Sharifi‐Rad J., Akram M., Daniyal M., Khan F.S., Abbaass W., Zainab R., Carbone K., Fahmy N.M., Al-Sayed E., El-Shazly M., Lucarini M., Durazzo A., Santini A., Martorell M., Pezzani R. Vicia plants – A comprehensive review on chemical composition and phytopharmacology. Phytotherapy Research. 2021;35(2):790-809. DOI: 10.1002/ptr.6863

41. Shevkani K., Singh N., Chen Y., Kaur A., Yu L. Pulse proteins: Secondary structure, functionality and applications. Journal of Food Science and Technology. 2019;56:2787-2798. DOI: 10.1007/s13197-019-03723-8

42. Shewry P.R., Napier J.A., Tatham A.S. Seed storage proteins: structures and biosynthesis. The Plant Cell. 1995;7(7):945-956. DOI: 10.1105/tpc.7.7.945

43. Shutov A.D., Kakhovskaya I.A., Braun H., Bäumlein H., Müntz K. Legumin-like and vicilin-like seed storage proteins: evidence for a common single-domain ancestral gene. Journal of Molecular Evolution. 1995;41:1057-1069. DOI: 10.1007/BF00173187

44. Идентификация сортов гороха методом электрофореза белков семян: методические указания / сост.: А.Н. Тарлаковская, Э.Э. Егги, И.П. Гаврилюк, Ж.И. Беляева ; под ред. В.Г. Конарева. Ленинград: ВИР; 1990.

45. Tripathy S.K. Legume seed storage proteins – A review. Advances in Bioresearch. 2018;9(6):152-162. DOI: 10.15515/abr.0976-4585.9.6.152162

46. Tucci M., Capparelli R., Costa A., Rao R. Molecular heterogeneity and genetics of Vicia faba seed storage proteins. Theoretical and Applied Genetics. 1991;81:50-58. DOI: 10.1007/BF00226111

47. Вишнякова М.А., Сеферова И.В., Буравцева Т.В., Бурляева М.О., Семенова Е.В., Филипенко Г.И., Александрова Т.Г., Егорова Г.П., Яньков И.И., Булынцев С.В., Герасимова Т.В., Другова Е.В. Коллекция мировых генетических ресурсов зерновых бобовых ВИР: пополнение, сохранение и изучение: (методические указания). 2-е изд. / под ред. М.А. Вишняковой. Санкт-Петербург: ВИР; 2018.

48. Warsame A.O., Michael N., O’Sullivan D.M., Tosi P. Seed development and protein accumulation patterns in faba bean (Vicia faba, L.). Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2022;70(30):9295-9304. DOI: 10.1021/acs.jafc.2c02061

49. Zha F., Rao J., Chen B. Modification of pulse proteins for improved functionality and flavor profile: A comprehensive review. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2021;20(3):3036-3060. DOI: 10.1111/1541-4337.12736