vestibИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия биологических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Biological Series1029-89402524-230XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1029-8940-2020-65-3-358-364vestib-694Research ArticleСтатьиОценка изменчивости хлоропластных и митохондриальных геномов ячменя методом NGS-анализа органельных смесейBarley chloroplast and mitochondrial genomes diversity evaluation by ngs of the organelle DNA mixturesЕрмаковичА. Е.YermakovichA. E.

Ермакович Анна Евгеньевна - младший научный сотрудник.

ул. Академическая, 27, 220072, Минск.

Anna E. Yermakovich - Junior Researcher, Institute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

bio.makarevich@gmail.comСинявскаяМ. Г.SiniauskayaM. G.

Синявская Марина Георгиевна - кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник.

ул. Академическая, 27, 220072, Минск.

Maryna G. Siniauskaya - Ph. D. (Biol.), Leading Researcher, Institute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

m.sin@inbox.ruПанкратовВ. С.PankratovV. S.

Панкратов Василий Сергеевич - кандидат биологических наук, научный сотрудник.

ул. Академическая, 27, 220072, Минск.

Vasili S. Pankratov - Ph. D. (Biol.), Researcher, Institute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

vasilipankratov@gmail.comЛевданскийО. Д.LiaudanskiA. D.

Левданский Олег Дмитриевич - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник.

ул. Академическая, 27, 220072, Минск.

Aleh D. Liaudanski - Ph. D. (Biol.), Senior Researcher, Institute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

666555@tut.byГолоенкоИ. М.HalayenkaI. M.

Голоенко Инна Михайловна - кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник.

ул. Академическая, 27, 220072, Минск.

Innesa M. Halayenka - Ph. D. (Biol.), Leading Researcher, Institute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

goloenkoi@tut.byШимкевичА. М.ShymkevichA. M.

Шимкевич Андрей Михайлович - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник.

ул. Академическая, 27, 220072, Минск.

Andrei M. Shymkevich - Ph. D. (Biol.), Senior Researcher, Institute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

shymkevichandrei@mail.ruЛуханинаН. В.LukhaninaN. V.

Луханина Наталья Владимировна - кандидат биологических наук, научный сотрудник.

ул. Академическая, 27, 220072, Минск.

Natalia V. Lukhanina - Ph. D. (Biol.), Researcher, Institute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

n_lukhanina@mail.ruДавыденкоО. Г.DavydenkoO. G.

Давыденко Олег Георгиевич - член-корреспондент, доктор биологических наук, заведующий лабораторией.

ул. Академическая, 27, 220072, Минск.

Oleg G. Davydenko - Corresponding Member, D. Sc. (Biol.), Head of the Laboratory, Institute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

davydenko@tut.byИнститут генетики и цитологии НАН БеларусиInstitute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus202006082020653358364Copyright © Ермакович А.Е., Синявская М.Г., Панкратов В.С., Левданский О.Д., Голоенко И.М., Шимкевич А.М., Луханина Н.В., Давыденко О.Г., 20202020Ермакович А.Е., Синявская М.Г., Панкратов В.С., Левданский О.Д., Голоенко И.М., Шимкевич А.М., Луханина Н.В., Давыденко О.Г.Yermakovich A.E., Siniauskaya M.G., Pankratov V.S., Liaudanski A.D., Halayenka I.M., Shymkevich A.M., Lukhanina N.V., Davydenko O.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestibio.belnauka.by/jour/article/view/694

Проведено сравнение полных последовательностей геномов хлоропластов и митохондрий диких (Hordeum vulgare subsp. spontaneum) и культурных (Hordeum vulgare subsp. vulgare) образцов ячменя с целью оценки их внутривидового разнообразия.

Объектами исследования стали 17 образцов ячменя, для которых было проведено секвенирование нового поколения (next generation sequencing - NGS) хлоропластной и примеси митохондриальной ДНК, полученных из фракции хлоропластов, изолированной методом дифференциального центрифугирования. Изучено также 5 полных последовательностей хлоропластного и 2 - митохондриального геномов ячменя, доступных в базе данных NCBI GenBank. При обработке полученных NGS-данных учитывали области гомологии внутри и между геномами.

Сравнительный анализ 22 хлоропластных геномов ячменя (10 H. vulgare subsp. vulgare и 12 H. vulgare subsp. spontaneum) выявил 107 полиморфных локусов: 9 INDEL (insertion or deletion), 79 SNP (single nucleotide polymorphism) и 19 полиморфизмов SSR-областей (simple sequence repeats). Из найденных SNP хлоропластного генома 20 были локализованы в экзонах генов.

Анализ 19 полных последовательностей митохондриальных геномов (8 H. vulgare subsp. vulgare и 11 H. vulgare subsp. spontaneum) показал более низкий уровень изменчивости данных органелл внутри вида: 1 INDEL и 22 SNP. Из 4 найденных в экзонах SNP 2 приходились на кодирующую область одного из генов малой субъединицы рибосом и 2 были расположены в экзоне псевдогена.

В результате исследования обнаружена высокая вариабельность хлоропластных геномов Hordeum vulgare при относительно низкой изменчивости митохондриальных геномов внутри данного вида. Выявлен ряд полиморфных локусов хлоропластного и митохондриального геномов, которые могут быть использованы для внутривидовой идентификации и филогенетических исследований. Доказана эффективность метода NGS смесей хлоропластной и митохондриальной ДНК для получения полных последовательностей органельных геномов ячменя.

In this study, complete chloroplast and mitochondrial genomes of wild (Hordeum vulgare subsp. spontaneum) and cultivated (Hordeum vulgare subsp. vulgare) barley forms were compared to evaluate the diversity of these genomes within the species.

NGS (next generation sequencing) was conducted for mixtures of chloroplast and mitochondrial DNA of 17 barley samples. The chloroplast DNA was obtained from the fraction of these organelles, isolated by differential centrifugation. Such fraction contained an admixture of mitochondrial DNA, which made it possible to conduct sequencing of both genomes simultaneously. The NGS data processing algorithm included some features to prevent mistakes during the alignment of reads from the homology regions within and between the genomes. Five sequences of barley chloroplast genome and two sequences of mitochondrial genome accessible in NCBI GenBank were also involved in the full-genome comparative analysis.

Comparison of 22 complete barley chloroplast genome sequences revealed a high level of diversity of these genomes within Hordeum vulgare. There were 107 polymorphic loci: 9 INDELs, 79 SNPs and 19 polymorphisms of SSR-regions (simple sequence repeats). Twenty from 79 found SNPs were located in coding sequences.

Analysis of 19 complete sequences of mitochondrial genomes (8 H. vulgare subsp. vulgare and 11 H. vulgare subsp. spontaneum) showed a lower level of variability of these organelles: 1 INDEL and 22 SNP (4 in coding sequences). Two SNPs were found in one of the genes of the small subunit of ribosomes and two were located in the exon of a pseudogene.

The results of the study proved the applicability of NGS of chloroplast and mitochondrial DNA mixtures to the obtaining of complete sequences of these genomes. Revealed polymorphic loci could be used for barley intraspecific identification and phylogeny.

ячменьхлоропластный геноммитохондриальный геномсеквенирование нового поколениявнутривидовое разнообразиеbarleychloroplast genomemitochondrial genomeNGSintraspecific diversityРабота выполнена в рамках ГПНИ «Биотехнологии», 2016-2020 гг., подпрограмма 2 «Структурная и функциональная геномика», задания 2.06 и 2.29.The study was carried out as a part of the State Scientific Research Program “Biotechnologies”, 2016-2020, Subprogram 2 “Structural and functional genomics”, assignments 2.06 and 2.29.ReferencesChloroplast genomes: diversity, evolution, and applications in genetic engineering / H. Daniel [et al.] // Genome Biol. -2016. - Vol. 17, N 1. - Art. 134. https://doi.org/10.1186/s13059-016-1004-2Daniel H., Lin C.-S., Yu M., Chang W.-J. Chloroplast genomes: diversity, evolution, and applications in genetic engineering. Genome Biology, 2016, vol. 17, no. 1, art. 134. https://doi.org/10.1186/s13059-016-1004-2Structural dynamics of cereal mitochondrial genomes as revealed by complete nucleotide sequencing of the wheat mitochondrial genome / Y. Ogihara [et al.] // Nucl. Acids Res. - 2005. - Vol. 33, N 19. - P. 6235-6250. https://doi.org/10.1093/nar/gki925Ogihara, Y., Yamazaki, Y., Murai K., Kanno A., Terachi T., Shiina T. [et al.]. Structural dynamics of cereal mitochondrial genomes as revealed by complete nucleotide sequencing of the wheat mitochondrial genome. Nucleic Acids Research, 2005, vol. 33, no. 19, pp. 6235-6250. https://doi.org/10.1093/nar/gki925Chloroplast genomic resources for phylogeny and DNA barcoding: a case study on Fritillaria / Y. Bi [et al.] // Sci. Reports. -2018. - Vol. 8, N 1. - Art. 1184. https://doi.org/10.1038/s41598-018-19591-9Bi Y., Zhang M., Xue J., Dong R., Du Y., Zhang X.-H. Chloroplast genomic resources for phylogeny and DNA barcoding: a case study on Fritillaria. Scientific Reports, 2018, vol. 8, no. 1, art. 1184. https://doi.org/10.1038/s41598-018-19591-9Targeted resequencing reveals genomic signatures of barley domestication / A. Pankin [et al.] // New Phytologist. -2018. - Vol. 218, N 3. - P. 1247-1259. https://doi.org/10.1111/nph.15077Pankin A., Altmuller J., Becker C., von Korff M. Targeted resequencing reveals genomic signatures of barley domestication. New Phytologist, 2018, vol. 218, no. 3, pp. 1247- 1259. https://doi.org/10.1111/nph.15077The productivity characteristics of substituted barley lines collection with marked chloroplast and mitochondrial genomes /I. M. Goloenko [et al.] // Cell. Mol. Biol. Lett. - 2002. - Vol. 7, N 2A. - P. 483-491.Goloenko I. M., Lukhanina N. V., Shimkevich A. M., Aksyonova E. A., Danilenko N. G., Davydenko O. G. The productivity characteristics of substituted barley lines collection with marked chloroplast and mitochondrial genomes. Cellular and Molecular Biology Letters, 2002, vol. 7, no. 2A, pp. 483-491.Triboush, S. O. A method for isolation of chloroplast DNA and mitochondrial DNA from sunflower / S. O. Triboush, N. G. Danilenko, O. G. Davydenko // Plant Mol. Biol. Reporter. - 1998. - Vol. 16. - P. 183-189. https://doi.org/10.1023/A:1007487806583Triboush S. O., Danilenko N. G., Davydenko O. G. A method for isolation of chloroplast DNA and mitochondrial DNA from sunflower. Plant Molecular Biology Reporter, 1998, vol. 16, pp. 183-189. https://doi.org/10.1023/A:1007487806583NGS data processing method for the mixture of chloroplast and mitochondrial DNA of barley / М. Makarevich [et al.] // Systems biology and bioinformatics (SBB-2018) : Tenth International young scientists school, within the framework of the 11th International conference BGRS/SB-2018, Novosibirsk, Russia, 27-31 Aug., 2018 : abstracts / Inst. of Cytology and Genetics, Siberian branch of the Rus. Acad. of Sci. [et al.]. - Novosibirsk, 2018. - P. 29.Makarevich М., Pankratov V., Sinyavskaya M., Lukhanina N., Shymkevich A., Liaudansky A., Goloenko I., Danilenko N., Davydenko O. NGS data processing method for the mixture of chloroplast and mitochondrial DNA of barley. Systems biology and bioinformatics (SBB-2018): the Tenth International young scientists school, within the framework of the 11th International conference BGRS/SB-2018. Novosibirsk, Russia, 27-31 August, 2018: abstracts. Novosibirsk, 2018, p. 29.Complete chloroplast genome sequences of Hordeum vulgare, Sorghum bicolor and Agrostis stolonifera, and comparative analyses with other grass genomes / C. Saski [et al.] // Theor. Appl. Genetics. - 2007. - Vol. 115, N 4. - P. 571-590. https://doi.org/10.1007/s00122-007-0595-0Saski C., Lee S. B., Fjellheim S., Guda C., Jansen R. K., Luo H., Tomkins J., Rognli O. A., Daniell H., Clarke J. L. Complete chloroplast genome sequences of Hordeum vulgare, Sorghum bicolor and Agrostis stolonifera, and comparative analyses with other grass genomes. Theoretical and Applied Genetics, 2007, vol. 115, no. 4, pp. 571-590. https://doi.org/10.1007/s00122-007-0595-0Sequencing of chloroplast genomes from wheat, barley, rye and their relatives provides a detailed insight into the evolution of the Triticeae tribe / C. P. Middleton [et al.] // PLoS ONE. - 2016. - Vol. 9, N 3. - P. e85761. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0085761Middleton C. P., Senerchia N., Stein N., Akhunov E. D., Keller B., Wicker T., Kilian B. Sequencing of chloroplast genomes from wheat, barley, rye and their relatives provides a detailed insight into the evolution of the Triticeae tribe. PLoS ONE, 2016, vol. 9, no. 3, p. e85761. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0085761The complete chloroplast genome of Tibetan hulless barley / Q. X. Zeng [et al.] // Mitochondrial DNA. Part A. - 2017. -Vol. 28, N 3 - P. 324-325. https://doi.org/10.3109/19401736.2015.1122765Zeng Q. X., Yuan J. H., Wang L. Y., Xu J. Q., Nyima T. The complete chloroplast genome of Tibetan hulless barley. Mitochondrial DNA. Part A, 2017, vol. 28, no. 3, pp. 324-325. https://doi.org/10.3109/19401736.2015.1122765Mitochondrial genome sequences from wild and cultivated barley (Hordeum vulgare) / H. Hisano [et al.] // BMC Genomics. - 2016. - Vol. 17, N 1. - Art. 824. https://doi.org/10.1186/s12864-016-3159-3Hisano H., Tsujimura M., Yoshida H., Terachi T., Sato K. Mitochondrial genome sequences from wild and cultivated barley (Hordeum vulgare). BMC Genomics, 2016, vol. 17, no. 1, art. 824. https://doi.org/10.1186/s12864-016-3159-3

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