Новый маркер для определения А-типа хлоропластной ДНК у длительно хранящихся гербарных образцов культурных видов картофеля

В Гербарии культурных растений мира, их диких родичей и сорных растений (WIR) Федерального исследовательского центра Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР) хранится крупнейшая в России коллекция исторических образцов культурных видов картофеля. Образцы этой коллекции были собраны в 1925-1928 годах С.В. Юзепчуком и С.М. Букасовым – членами организованной Н.И. Вавиловым экспедиции в страны Латинской Америки. Этот материал представляет несомненный интерес для молекулярно-генетических исследований. В то же время, существует ряд методических ограничений, обусловленных различной степенью деградации ДНК растений, длительное время сохраняемых в гербарных коллекциях. Оригинальный набор ПЦР-маркеров, специфичных к разным локусам пластидной ДНК, разработанный японскими исследователями K. Hosaka и R. Sanetomo (2012), широко используется для исследований генетического разнообразия и происхождения культурных видов картофеля, сохраняемых в полевых и in vitro коллекциях разных генбанков. Применение данного набора в полном объеме для детекции разных типов хлоропластной ДНК (хлДНК) у длительно хранящихся гербарных образцов проблематично, поскольку в случае маркера А размер диагностического фрагмента превышает 1000 пн. В настоящей работе были разработаны новые праймеры А494 для детекции А-типа пластидной ДНК у ~100-летних гербарных образцов культурных видов картофеля. Результативность применения праймеров А494, с использованием которых ампликоны ожидаемого размера были получены для 22 из 25 гербарных образцов, была достоверно выше в сравнении с результатами, полученными с праймерами А из набора Hosaka и Sanetomo (2012) – ампликоны ожидаемого размера получены для пяти из 25 образцов. Расширенный набор маркеров для детекции различных типов хлДНК будет использован в дальнейшем для изучения исторической коллекции культурных видов картофеля, хранящейся в гербарии ВИР.

1. Ames M., Spooner D.M. DNA from herbarium specimens settles a controversy about origins of the European potato. American Journal of Botany. 2008;95(2):252-257. DOI:1 0.3732/ajb.95.2.252

2. Bryan G.J., McNicoll J., Ramsay G., Meyer R.C., De Jong W.S. Polymorphic simple sequence repeat markers in chloroplast genomes of Solanaceous plants. Theoretical and Applied Genetics. 1999;99:859-867. DOI: 10.1007/s001220051306

3. Букасов С.М. Возделываемые растения Мексики, Гватемалы и Колумбии. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1930; Приложение 47:1-307.

4. Букасов С.М. Картофели Южной Америки и их селекционное использование. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1933; Приложение 58:1-192.

5. Чухина И.Г., Дорофеев В.И., Гавриленко Т.А., Крылова Е.А., Овчинникова А.Б. Типовые материалы таксонов секции Petota Dumort. рода Solanum (Solanaceae) Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР, WIR) и Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН (БИН РАН, LE): новые находки и уточнения. Turczaninowia. 2017;20(2):97-105. DOI: 10.14258/turczaninowia.20.2.8

6. Чухина И.Г., Гавриленко Т.А., Смекалова Т.Н. Каталог мировой коллекции ВИР. Выпуск 833. Номенклатурные типы, хранящиеся в гербарии ВИР: род Solanum L. (сем. Solanaceae Juss.). Cанкт-Петербург: ВИР; 2016.

7. Dabney J., Meyer M., Pääbo S. Ancient DNA damage. Cold Spring Harbor perspectives in biology. 2013;5(7):a012567. DOI: 10.1101/cshperspect.a012567

8. Фомина Н.А., Антонова О.Ю., Чухина И.Г., Гавриленко Т.А. Гербарные коллекции в молекулярно-генетических исследованиях. Turczaninowia. 2019; 22(4):104-118. DOI: 10.14258/turczaninowia.22.4.12

9. Gavrilenko T., Chukhina I., Antonova O., Krylova E., Shipilina L., Oskina N., Kostina L. Comparative analysis of the genetic diversity of Chilean cultivated potato based on a molecular study of authentic herbarium specimens and present-day gene bank accessions. Plants. 2023;12(1):174. DOI: 10.3390/plants12010174

10. Gavrilenko T.A., Antonova O.Yu., Shuvalova A.R., Krylova E.A, Alpatyeva N.V., Spooner D.M., Novikova L.Yu. Genetic diversity and origin of cultivated potatoes based on plastid microsatellite polymorphism. Genetic Resources and Crop Evolution. 2013;60(7):1997-2015. DOI: 10.1007/s10722013-9968-1

11. Gavrilenko Т.А., Klimenko N.S., Alpatieva N.V., Kostina L.I., Lebedeva V.A., Evdokimova Z.Z., Apalikova O.V., Novikova L.Y., Antonova O.Yu. Cytoplasmic genetic diversity of potato varieties bred in Russia and FSU countries. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2019;23(6):753-764. DOI: 10.18699/VJ19.534

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

13. Hosaka K. Who is the mother of the potato? – restriction endonuclease analysis of chloroplast DNA of cultivated potatoes. Theoretical and Applied Genetics. 1986;72(5):606-618. DOI: 10.1007/BF00288998.

14. Hosaka K. Successive domestication and evolution of the Andean potatoes as revealed by chloroplast DNA restriction endonuclease analysis. Theoretical and applied genetics. 1995;90(3-4):356-363. DOI: 10.1007/BF00221977

15. Hosaka K. Distribution of the 241 bp deletion of chloroplast DNA in wild potato species. American Journal of Potato Research. 2002;79:119-123. DOI: 10.1007/BF02881520

16. Hosaka K. T-type chloroplast DNA in Solarium tuberosum L. ssp. tuberosum was conferred from some populations of S. tarijense Hawkes. American Journal of Potato Research. 2003;80:21-32. DOI: 10.1007/BF02854553

17. Hosaka K. Evolutionary pathway of T-type Chloroplast DNA in potato. American Journal of Potato Research. 2004;81:153-158. DOI: 10.1007/BF02853613

18. Hosaka K., Hanneman R.E. The origin of the cultivated tetraploid potato based on chloroplast DNA. Theoretical and applied genetics. 1988а;76(2):172-176. DOI: 10.1007/BF00257842

19. Hosaka K., Hanneman R.E. Origin of chloroplast DNA diversity in the Andean potatoes. Theoretical and applied genetics. 1988b;76(3):333-340. DOI: 10.1007/BF00265332

20. Hosaka K., Sanetomo R. Comparative differentiation in mitochondrial and chloroplast DNA among cultivated potatoes and closely related wild species. Genes and genetic systems. 2009;84(5):371-378. DOI: 10.1266/ggs.84.371

21. Hosaka K., Sanetomo R. Development of a rapid identification method for potato cytoplasm and its use for evaluating Japanese collections. Theoretical and applied genetics. 2012;125:1237-1251. DOI: 10.1007/s00122-012-1909-4

22. Hosaka K., Ogihara Y., Matsubayashi M., Tsunewaki K. Phylogenetic relationship between the tuberous Solanum species as revealed by restriction endonuclease analysis of chloroplast DNA. The Japanese Journal of Genetics. 1984;59:349-369. DOI: 10.1266/jjg.59.349

23. Hosaka K., Zoeten G.A., Hanneman R.E. Cultivated potato chloroplast DNA differs from the wild type by one deletion – evidence and implications. Theoretical and Applied Genetics. 1988;75:741-745.

24. Hughey J.R., Gabrielson P.W. Comment on “Acquiring DNA sequence data from dried archival red algae (Florideophyceae) for the purpose of applying available names to contemporary genetic species: a critical assessment”. Botany. 2012;90(12):1191-1194. DOI: 10.1139/b2012-102

25. IDT, Integrated DNA Technologies; 2025 [website]. Available from: https://eu.idtdna.com/calc/analyzer [accessed Aug. 23, 2025]

26. Юзепчук С.В., Букасов С.М. К вопросу о происхождении картофеля. В кн.: Труды Всесоюзного съезда по генетике, селекции, семеноводству и племенному животноводству; 10-16 января 1929. Ленинград; 1929. Т. 3. С.593-611.

27. Каталог мировой коллекции ВИР. Вып. 327, ч. 2. Каталог типов таксонов растений, хранящихся в гербарии ВИР/ сост. О.Н. Коровина, Н.И. Белозор, Н.М. Черноморская; под ред. О.Н. Коровиной. Ленинград: ВИР; 1985.

28. Krinitsina A.A., Sizova T.V., Zaika M.A., Speranskaya A.S., Sukhorukov A.P. A rapid and cost-effective method for DNA extraction from archival herbarium specimens. Biochemistry Moscow. 2015;80:1478-1484. DOI: 10.1134/S0006297915110097

29. Lekhnovich V.S. New taxons within the species Solanum andigenum Juz. et Buk. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 1983;79:45-49. [in Russian] (Лехнович В.С. Новые таксоны внутри вида Solanum andigenum Juz. et Buk. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1983;79:45-49).

30. Lihodeevskiy G.A., Shanina E.P. The use of long-read sequencing to study the phylogenetic diversity of the potato varieties plastome of the Ural selection. Agronomy. 2022;12:846. DOI: 10.3390/agronomy12040846

31. Оськина Н.А., Гавриленко Т.А., Чухина И.Г. Типификация внутривидовых таксонов Solanum andigenum Juz. et Buk. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2023;184(4):163-173. DOI: 10.30901/2227-8834-2023-4-163-173

32. Ovchinnikova А., Krylova E., Gavrilenko T., Smekalova T., Zhuk M., Knapp S., Spooner D. Taxonomy of cultivated potatoes (Solanum section Petota: Solanaceae). Botanical Journal of the Linnean Society. 2011;165(2):107-155. DOI: 10.1111/j.1095-8339.2010.01107.x

33. Papalini S., Di Vittori V., Pieri A., Allegrezza M., Frascarelli G., NanniL., Bitocchi E., Bellucci E., Gioia T., Pereira L.G., Susek K., Tenaillon M., Neumann K., Papa R. Challenges and opportunities behind the use of herbaria in paleogenomics studies. Plants. 2023;12(19):3452. DOI: 10.3390/plants12193452

34. Sanetomo R., Gebhardt C. Cytoplasmic genome types of European potatoes and their effects on complex agronomic traits. BMC Plant Biology. 2015;15:162. DOI: 10.1186/s12870-015-0545-y

35. Särkinen T., Staats M., Richardson J.E., Cowan R.S., Bakker F.T. How to Open the Treasure Chest? Optimising DNA extraction from herbarium specimens. PLOS ONE. 2012;7(8):e43808. DOI: 10.1371/journal.pone.0043808

36. Spooner D.M., Núñez J., Trujillo G., Del Rosario Herrera M., Guzmán F., Ghislain M. Extensive simple sequence repeat genotyping of potato landraces supports a major reevaluation of their gene pool structure and classification. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2007;104(49):19398-19403. DOI: 10.1073/pnas.0709796104

37. Sukhotu T., Hosaka K. Origin and evolution of Andigena potatoes revealed by chloroplast and nuclear DNA markers. Genome. 2006;49(6):636-647. DOI: 10.1139/g06-014

38. Sukhotu T., Kamijima O., Hosaka K. Nuclear and chloroplast DNA differentiation in Andean potatoes. Genome. 2004:47(1):46-56. DOI: 10.1139/g03-105

39. Sukhotu T., Kamijima O., Hosaka K. Genetic diversity of the Andean tetraploid cultivated potato (Solanum tuberosum L. subsp. andigena Hawkes) evaluated by chloroplast and nuclear DNA markers. Genome. 2005;48(1):55-64. DOI: 10.1139/g04-086

40. Sukhotu T., Kamijima O., Hosaka K. Chloroplast DNA Variation in the Most Primitive Cultivated Diploid Potato Species Solanum stenotomum Juz. et Buk. and its putative wild ancestral species using high-resolution markers. Genetic Resources and Crop Evolution. 2006;53:53-63. DOI: 10.1007/s10722-004-0573-1

41. Untergasser A., Nijveen H., Rao X., Bisseling T., Geurts R., Leunissen J.A. Primer3Plus, an enhanced web interface to Primer3. Nucleic Acids Research. 2007;35(2):71-74. DOI: 10.1093/nar/gkm306