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"10.29235/1029-8940-2024-69-1-57-67vestib-910Research ArticleСтатьиГенетическое разнообразие деревьев яблони старого плодового сада Центрального ботанического сада НАН БеларусиGenetic diversity of apple trees in the old orchard of the Central Botanical Garden of the National Academy оf Sciences of BelarusФоминаЕ. А.FaminaA. A.

Фомина Елена Анатольевна ‒ канд. биол. наук, ст. науч. сотрудник

ул. Ф. Скорины, 34, 220141, г. Минск

Alena A. Famina ‒ Ph. D. (Biol.), Senior Researcher

34, F. Skorina Str., 220141, Minsk

E.Fomina@igc.byЗаинчковскаяА. Н.ZainchkovskayaA. N.

Заинчковская Анна Николаевна ‒ мл. науч. сотрудник

ул. Ф. Скорины, 34, 220141, г. Минск

Anna N. Zainchkovskaya ‒ Junior Researcher

34, F. Skorina Str., 220141, Minsk

A.Zainchkovskaya@igc.byКузмицкаяП. В.KuzmitskayaР. V.

Кузмицкая Полина Викторовна ‒ канд. биол. наук, ст. науч. сотрудник

ул. Ф. Скорины, 34, 220141, г. Минск

Polina V. Kuzmitskaya ‒ Ph. D. (Biol.), Senior Researcher

34, F. Skorina Str., 220141, Minsk

P.Kuzmitskaya@igc.byУрбановичО. Ю.UrbanovichО. Yu.

Урбанович Оксана Юрьевна ‒ д-р биол. наук, доцент, заведующий лабораторией

ул. Ф. Скорины, 34, 220141, г. Минск

 

Oksana Yu. Urbanovich ‒ D. Sc. (Biol.), Associate Professor, Head of the Laboratory

34, F. Skorina Str., 220141, Minsk

O.Urbanovich@igc.byПашкевичП. А.PashkevichР. А.

Пашкевич Павел Андреевич ‒ канд. с.-х. наук, заведующий лабораторией

ул. Сурганова, 2в, 220012, г. Минск

Pavel A. Pashkevich ‒ Ph. D. (Agricult.), Head of the Laboratory

2v, Surganov Str., 220012, Minsk

P.Pashkevich@cbg.org.byСидорЛ. С.SidorL. S.

Сидор Лариса Сергеевна ‒ науч. сотрудник

ул. Сурганова, 2в, 220012, г. Минск

Larisa S. Sidor ‒ Researcher

2v, Surganov Str., 220012, Minsk

L.Sidor@cbg.org.byАношенкоБ. Ю.AnoshenkoВ. Yu.

Аношенко Борис Юрьевич ‒ канд. биол. наук, доцент, вед. науч. сотрудник

ул. Сурганова, 2в, 220012, г. Минск

Boris Yu. Anoshenko ‒ Ph. D. (Biol.), Associate Professor, Leading Researcher

2v, Surganov Str., 220012, Minsk

B.Anoshenko@cbg.org.byГончароваЛ. В.GoncharovaL. V.

Гончарова Людмила Владимировна ‒ канд. биол. наук, доцент, заместитель директора по научной и  инновационной работе

ул. Сурганова, 2в, 220012, г. Минск

Lyudmila V. Goncharova ‒ Ph. D. (Biol.), Associate Professor, Deputy Director for Research and Innovation

2v, Surganov Str., 220012, Minsk

L.Goncharova@cbg.org.byИнститут генетики и цитологии НАН БеларусиInstitute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of BelarusЦентральный ботанический сад НАН БеларусиCentral Botanical Garden of the National Academy of Sciences of Belarus2024080220246915767Copyright © Фомина Е.А., Заинчковская А.Н., Кузмицкая П.В., Урбанович О.Ю., Пашкевич П.А., Сидор Л.С., Аношенко Б.Ю., Гончарова Л.В., 20242024Фомина Е.А., Заинчковская А.Н., Кузмицкая П.В., Урбанович О.Ю., Пашкевич П.А., Сидор Л.С., Аношенко Б.Ю., Гончарова Л.В.Famina A.A., Zainchkovskaya A.N., Kuzmitskaya Р.V., Urbanovich О.Y., Pashkevich Р.А., Sidor L.S., Anoshenko В.Y., Goncharova L.V.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/910

На основе секвенированной последовательности генома яблони сорта Golden Delicious, нуклеотидная последовательность которого находится в базе данных GenBank, in silico был проведен дизайн молекулярных маркеров SSR типа, которые ограничивают область тетра- и гексануклеотидных повторов. Отобраны наиболее информативные из них, которые показали четкие пики на капиллярном электрофорезе и позволили выявить высокий уровень полиморфизма отдельных областей генома яблони. Разработанные SSR-маркеры можно эффективно использовать для оценки генетического разнообразия и ДНК-идентификации сортов яблони, установления сортового соответствия. Данные маркеры были применены для анализа генетического разнообразия деревьев яблони старого плодового сада Центрального ботанического сада (ЦБС) НАН Беларуси, посадка деревьев в котором осуществлялась с 1932 по 1940 г. Показано, что растущие в саду деревья генетически близки как к старинным местным сортам, так и к отдельным иностранным. Установлено, что среди деревьев старого плодового сада ЦБС НАН Беларуси представлены такие сорта, как Антоновка обыкновенная, Минское, Папировка, Уэлси, Мельба, Богатырь. Полученные результаты будут использованы для сохранения генетических ресурсов ценной для страны плодовой культуры, которой является яблоня, а также для разработки дизайн-проекта новой коллекции-экспозиции плодовых растений при реконструкции участка старых насаждений.

Based on the sequence of the Golden Delicious apple genome, whose nucleotide sequence is located in the GenBank database, the design of molecular markers of SSR type that limit the area of tetra- and hexanucleotide repeats was carried out in silico. The most informative of them were selected, which showed clear peaks on capillary electrophoresis and made it possible to reveal a high level of polymorphism in certain apple genome regions. The developed SSR markers can be effectively used for the genetic diversity assession and DNA identification of apple varieties, establishment of the varietal correspondence. These markers were used to analyze the genetic diversity of apple trees in the old orchard of the Central Botanical Garden of the National Academy of Sciences of Belarus (CBG) where trees were planted from 1932 to 1940. It is shown that the trees growing in the garden are genetically close to old local varieties, as well as to individual foreign ones. It is established that among the trees of the CBG old orchard there are such varieties as Antonovka obyknovennaya, Minskoe, Papirovka. Wealthy, Melba, Bogatyr’. The obtained results will be used to save the genetic resources of the fruit crop valuable for the country, which is an apple tree, as well as to develop a design project of a new fruit plants collection-exposition when reconstructing the area of old plantings.

яблоняSSR-маркерыДНК-идентификацияаллельгенетическое разнообразиеapple treeSSR markersDNA identificationallelegenetic diversityReferencesУрбанович, О. Ю. Молекулярные методы идентификации и генотипирования яблони и груши / О. Ю. Урбанович. ‒ Минск: Право и экономика, 2013. – 208 с.Urbanovich O. Yu. Molecular methods of identification and genotyping of apple and pear. Minsk, Pravo i ekonomika Publ., 2013. 208 p. (in Russian).Genetic identity and diversity of apple accessions within a candidate collection for the Norwegian National Clonal Germplasm Repository / M. Meland [et al.] // Horticulturae. – 2022. – Vol. 8, N 7. – P. 630. https://doi.org/10.3390/ horticulturae8070630Meland M., Aksic M. F., Frøynes O., Konjic A., Lasic L., Pojskic N., Gasi F. Genetic identity and diversity of apple accessions within a candidate collection for the Norwegian National Clonal Germplasm Repository. Horticulturae, 2022. vol. 8, no. 7, p. 630. https://doi.org/10.3390/horticulturae8070630Урбанович, О. Ю. Паспортизация сортов яблони на основе SSR-маркеров / О. Ю. Урбанович, З. А. Козловская, Н. А. Картель // Докл. НАН Беларуси. – 2008. – Т. 52, № 5. – С. 93‒99.Urbanovich O. Yu., Kozlovskaya Z. A., Kartel’ N. A. Passportization of apple varieties based on SSR markers. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi [Reports of the National Academy of Sciences of Belarus], 2008, vol. 52, no. 5, pp. 93‒99 (in Russian).Урбанович, О. Ю. Методические рекомендации по идентификации и паспортизации сортов яблони и груши на основе ДНК-маркеров / О. Ю. Урбанович, З. А. Козловская, Н. А. Картель. – Минск: Право и эконоимка, 2011. – 31 с.Urbanovich O. Yu., Kozlovskaya Z. A., Kartelʼ N. A. Guidelines for the identification and certification of apple and pear varieties based on DNA markers. Minsk, Pravo i ekonomika Publ., 2011. 31 p. (in Russian).SSR analysis based on molecular characterisation of apple germplasm in Lithuania / I. B. Mažeikienė [et al.] // Zemdirbyste = Agriculture. – 2019. – Vol. 106, N 2. – P. 159‒166. https://doi.org/10.13080/z-a.2019.106.021Mažeikienė I., Šikšnianienė J. B., Baniulis D., Gelvonauskienė D., Frercks B., Starkus A., Žebrauskienė A., Stanys V. SSR analysis based on molecular characterisation of apple germplasm in Lithuania. Zemdirbyste = Agriculture, 2019, vol. 106, no. 2, pp. 159‒166. https://doi.org/10.13080/z-a.2019.106.021Development and characterization of 140 new microsatellites in apple (Malus × domestica Borkh.) / R. Liebhard [et al.] // Mol. Breed. – 2002. – Vol. 10, N 4. – P. 217‒241. https://doi.org/10.1023/A:1020525906332Liebhard R., Gianfranceschi L., Koller B., Ryder C. D., Tarchini R., Van De Weg E., Gessler C. Development and characterization of 140 new microsatellites in apple (Malus × domestica Borkh.). Molecular Breeding, 2002, vol. 10, no. 4, pp. 217‒241. https://doi.org/10.1023/A:1020525906332Development of SSR databases available for both NGS and capillary electrophoresis in apple, pear and tea / S. Nishio [et al.] // Plants. – 2021. – Vol. 10, N 12. – P. 2796. https://doi.org/10.3390/plants10122796Nishio S., Kunihisa M., Taniguchi F., Kajiya-Kanegae H., Moriya S., Takeuchi Y., Sawamura Y. Development of SSR databases available for both NGS and capillary electrophoresis in apple, pear and tea. Plants, 2021, vol. 10, no. 12, p. 2796. https://doi.org/10.3390/plants10122796Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit / K. Okonechnikov [et al.] // Bioinformatics. – 2012. – Vol. 28, N 8. – P. 1166‒1167. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bts091Okonechnikov K., Golosova O., Fursov M., UGENE team. Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinformatics, 2012, vol. 28, no. 8, pp. 1166‒1167. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bts091Nei, M. Mathematical model for studying genetic variation in terms of restriction endonucleases / M. Nei, W. H. Li // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 1979. – Vol. 76, N 10. – P. 5269–5273. https://doi.org/ 10.1073/pnas.76.10.5269Nei M., Li W. H. Mathematical model for studying genetic variation in terms of restriction endonucleases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1979, vol. 76, no. 10, pp. 5269–5273. https://doi.org/ 10.1073/ pnas.76.10.5269Wright, S. The interpretation of population structure by F-statistics with special regard to systems of mating / S. Wright // Evolution. – 1965. – Vol. 19, N 3. – P. 395–420. https://doi.org/10.1111/j.1558-5646.1965.tb01731.xWright S. The interpretation of population structure by F-statistics with special regard to systems of mating. Evolution, 1965, vol. 19, no. 3, pp. 395‒420. https://doi.org/10.1111/j.1558-5646.1965.tb01731.xKloosterman, A. D. PCR-amplification and detection of the human DIS80 VNTR locus. Amplification condition, population genetics and application in forensic analysis / A. D. Kloosterman, B. Budowle, P. Daselaar // Int. J. Leg. Med. – 1993. – Vol. 105, N 5. – P. 257‒264. https://doi.org/10.1007/BF01370382Kloosterman A. D., Budowle B., Daselaar P. PCR-amplification and detection of the human DIS80 VNTR locus. Amplification condition, population genetics and application in forensic analysis. International Journal of Legal Medicine, 1993, vol. 105, no. 5. pp. 257‒264. https://doi.org/10.1007/BF01370382Pritchard, J. K. Inference of population structure using multilocus genotype data / J. K. Pritchard, M. Stephens, P. Donnelly // Genetics. – 2000. – Vol. 155, N 2. – P. 945‒959. https://doi.org/10.1093/genetics/155.2.945Pritchard J. K., Stephens M., Donnelly P. Inference of population structure using multilocus genotype data. Genetics, 2000, vol. 155, no. 2, pp. 945‒959. https://doi.org/10.1093/genetics/155.2.945Earl, D. A. STRUCTURE HARVESTER: a website and program for visualizing STRUCTURE output and implementing the Evanno method / D. A. Earl, B. M. Vonholdt // Cons. Genet. Res. – 2011. – Vol. 4, N 2. – P. 359‒361. https://doi.org/10.1007/ s12686-011-9548-7Earl D. A., Vonholdt B. M. STRUCTURE HARVESTER: a website and program for visualizing STRUCTURE output and implementing the Evanno method. Conservation Genetics Resources, 2011, vol. 4, no. 2, pp. 359‒361. https://doi. org/10.1007/s12686-011-9548-7Evanno, G. Detecting the number of clusters of individuals using the software STRUCTURE: a simulation study / G. Evanno, S. Regnaut, J. Goudet // Mol. Ecol. – 2005. – Vol. 14, N 8. – P. 2611‒2620. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2005.02553.xEvanno G., Regnaut S., Goudet J. Detecting the number of clusters of individuals using the software STRUCTURE: a simulation study. Molecular Ecology, 2005, vol. 14, no. 8, pp. 2611‒2620. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2005.02553.xCharacterization of microsatellite loci in apple (Malus × domestica Borkh.) cultivars / S. Sikorskaite [et al.] // Žemdirbystė = Agriculture. – 2012. – Vol. 99, N 2. – P. 131‒138.Sikorskaite S., Gelvonauskiene D., Stanys V., Baniulis D. Characterization of microsatellite loci in apple (Malus × domestica Borkh.). Žemdirbystė=Agriculture, 2012, vol. 99, no. 2, pp. 131‒138.Genetic diversity and population structure in Malus sieversii, a wild progenitor species of domesticated apple / C. M. Richards [et al.] // Tree Genet. and Genom. – 2009. – Vol. 6, N 2. – P. 339‒347. https://doi.org/10.1007/s11295-008-0190-9Richards C. M., Volk G. M., Reilley A. A., Henk A. D., Lockwood D. R., Reeves P. A., Forsline P. L. Genetic diversity and population structure in Malus sieversii, a wild progenitor species of domesticated apple. Tree Genetics & Genomes, 2009, vol. 6, no. 2, pp. 339‒347. https://doi.org/10.1007/s11295-008-0190-9Urbanovich, O. Y. Identification of apple tree cultivars growing in Belarus using SSR-markers / O. Y. Urbanovich, Z. A. Kazlovskaya // Acta Hortic. – 2009. – Vol. 839. – P. 479‒486. https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2009.839.65Urbanovich O. Y., Kazlovskaya Z. A. Identification of apple tree cultivars growing in Belarus using SSR-markers. Acta Horticulturae, 2009, vol. 839, pp. 479‒486. https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2009.839.65Genetic characterization of the apple germplasm collection in Central Italy: the value of local varieties / G. Marconi [et al.] // Front Plant Sci. – 2018. – Vol. 9. – Art. 1460. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01460Marconi G., Ferradini N., Russi L., Concezzi L., Veronesi F., Albertini E. Genetic characterization of the apple germplasm collection in Central Italy: the value of local varieties. Frontiers in Plant Science, 2018, vol. 9, art. 1460. https://doi.org/10.3389/ fpls.2018.01460A new one-tube reaction kit for the SSR genotyping of apple (Malus × domestica Borkh.) / J. Cmejlova [et al.] // Plant Sci. – 2021. – Vol. 303. – P. 110768. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2020.110768Cmejlova J., Rejlova M., Paprstein F., Cmejla R. A new one-tube reaction kit for the SSR genotyping of apple (Malus × domestica Borkh.). Plant Science, 2021, vol. 303, p. 110768. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2020.110768Identification of unknown apple (Malus × domestica) cultivars demonstrates the impact of local breeding program on cultivar diversity / B. L. Gross [et al.] // Genet. Resour. Crop Evol. – 2018. – Vol. 65, N 5. – P. 1317‒1327. https://doi. org/10.1007/s10722-018-0625-6Gross B. L., Wedger M. J., Martinez M., Volk G. M., Hale C. Identification of unknown apple (Malus × domestica) cultivars demonstrates the impact of local breeding program on cultivar diversity. Genetic Resources and Crop Evolution, 2018, vol. 65, no. 5, pp. 1317‒1327. https://doi.org/10.1007/s10722-018-0625-6Analysis of the genetic diversity and structure across a wide range of germplasm reveals prominent gene flow in apple at the European level / J. Urrestarazu [et al.] // BMC Plant Biol. – 2016. – Vol. 16, N 1. – Art. 130. https://doi.org/10.1186/s12870- 016-0818-0Urrestarazu J., Denancé C., Ravon E., Guyader A., Guisnel R., Feugey L. [et al.]. Analysis of the genetic diversity and structure across a wide range of germplasm reveals prominent gene flow in apple at the European level. BMC Plant Biology, 2016, vol. 16, no. 1, art. 130. https://doi.org/10.1186/s12870-016-0818-0Genetic diversity and structure of local apple cultivars from Northeastern Spain assessed by microsatellite markers / J. Urrestarazu [et al.] // Tree Genet. Genom. – 2012. – Vol. 8, N 6. – P. 1163‒1180. https://doi.org/10.1007/s11295-012-0502-yUrrestarazu J., Miranda C., Santesteban L. G., Royo J. B. Genetic diversity and structure of local apple cultivars from Northeastern Spain assessed by microsatellite markers. Tree Genetics & Genomes, 2012, vol. 8, no. 6, pp. 1163‒1180. https:// doi.org/10.1007/s11295-012-0502-y

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