Оценка изменчивости хлоропластных и митохондриальных геномов ячменя методом NGS-анализа органельных смесей

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.

1. Chloroplast 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/s13059-016-1004-2

2. Structural 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/gki925

3. Chloroplast 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/s41598-018-19591-9

4. Targeted 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.15077

5. The 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.

6. 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:1007487806583

7. NGS 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.

8. 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/s00122-007-0595-0

9. Sequencing 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.0085761

10. The 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/10.3109/19401736.2015.1122765

11. Mitochondrial 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/s12864-016-3159-3