Цитологія і генетика 2019, том 53, № 6, 26-35
Cytology and Genetics 2019, том 53, № 6, 459–466, doi: https://www.doi.org/10.3103/S0095452719060100

5S Рибосомна ДНК віддалено споріднених видів роду Quercus: молекулярна організація та таксономічне використання

Тинкевич Ю.О., Волков Р.А.

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, вул. Коцюбинського, 2, м. Чернівці, 58012, Україна

РЕЗЮМЕ. Род Quercus (дуб) является широко распространенным и экономически важным родом древесных растений. Внутриродовая таксономия этого рода остается дискуссионной вследствие значительного распространения межвидовой гибридизации и конвергентной схожести морфологических признаков. Дальнейший прогресс в этом вопросе требует применения молекулярных методов. Учитывая, что сравнение 5S рДНК с успехом используется в молекулярной таксономии растений, мы клонировали и секвенировали этот участок генома для представителей филогенетически отдаленных видов рода Quercus: Q. acutissima (секция Cerris) и Q. glauca (сек. Cyclobalanopsis) из Восточной Азии, а также Q. texana (сек. Lobatae) из Северной Америки. Также нами были идентифицированы последовательности 5S рДНК в полногеномных сиквенсах, доступных в базе данных Genbank для североамериканского вида Q. lobata (сек. Quercus) и родственного рода Castanea. Установлено, что в геноме представителей рода Quercus повторяющиеся единицы 5S рДНК являются гомогенными. Потенциальные внешние элементы промотора 5S рДНК отличаются от таковых у других семейств двудольных растений. Результаты сравнительного анализа последовательностей межгенного спейсерного участка 5S рДНК дополняют существующую таксономию рода и указывают на изолированное положение секции Cyclobalanopsis, которая может рассматриваться как отдельный подрод.

Рід Quercus (дуб) є широко розповсюдженим та економічно важливим родом деревних рослин. Внутрішньородова таксономія цього роду залишається дискусійною внаслідок значного поширення міжвидової гібридизації та конвергентній подібності морфологічних ознак. Подальший прогрес у цьому питанні вимагає застосування молекулярних методів. Враховуючи, що порівняння 5S рДНК з успіхом використовується у молекулярній таксономії рослин, ми клонували та сиквенували цю ділянку геному для представників трьох філогенетично віддалених видів роду Quercus: Q. Acutissima (секція Cerris) і Q. glauca (сек. Cyclobalanopsis) зі Східної Азії та Q. texana (сек. Lobatae) з Північної Америки. Також нами були ідентифіковані послідовності 5S рДНК у повногеномних сиквенсах, доступних у базі даних Genbank для північноамериканського виду Q. lobata (сек. Quercus) та спорідненого роду Castanea. Встановлено, що в геномі представників роду Quercus повторювані одиниці 5S рДНК є гомогенними. Потенційні зовнішні елементи промотору 5S рДНК відрізняються від таких у інших родин дводольних рослин. Результати порівняльного аналізу послідовностей міжгенної спейсерної ділянки 5S рДНК доповнюють існуючу таксономію роду та вказують на ізольоване положення секції Cyclobalanopsis, яка може розглядатись як окремий підрід.

Ключові слова: молекулярная эволюция и систематика, 5S рДНК, Quercus
молекулярна еволюція і систематика, 5S рДНК, Quercus

Цитологія і генетика
2019, том 53, № 6, 26-35

Current Issue
Cytology and Genetics
2019, том 53, № 6, 459–466,
doi: 10.3103/S0095452719060100

Повний текст та додаткові матеріали

У вільному доступі: PDF  

Цитована література

1. Govaerts, R. and Frodin, D.G., World checklist and bibliography of Fagales, Kew, UK: Royal Botanic Gardens, 1998.

2. Nixon, K.C., Global and neotropical distribution and diversity of oak (genus Quercus) and oak forests, in Ecology and Conservation of Neotropical Montane Oak Forests, Berlin, Heidelberg: Springer, 2006, pp. 3–13. https://doi.org/10.1007/3-540-28909-7_1

3. Deng, M., Jiang, X.L., Hipp, A.L., Manos, P.S., and Hahn, M., Phylogeny and biogeography of East Asian evergreen oaks (Quercus section Cyclobalanopsis; Fagaceae): insights into the Cenozoic history of evergreen broad-leaved forests in subtropical Asia, Mol. Phylogenet. Evol., 2018, vol. 119, pp. 170–181. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2017.11.003

4. Denk, T. and Grimm, G.W., The oaks of western Eurasia: traditional classifications and evidence from two nuclear markers, Taxon, 2010, vol. 59, no. 2, pp. 351–366. https://doi.org/10.1002/tax.592002

5. Simeone, M.C., Grimm, G.W., Papini, A., Vessella, F., Cardoni, S., Tordoni, E., Piredda, R., Franc, A., and Denk, T., Plastome data reveal multiple geographic origins of Quercus group Ilex,Peer. J, 2016, vol. 4. e1897. https://doi.org/10.7717/peerj.1897

6. Denk, T., Grimm, G.W., Manos, P.S., Deng, M., and Hipp, A.L., An updated infrageneric classification of the oaks: review of previous taxonomic schemes and synthesis of evolutionary patterns, in Oaks Physiological Ecology: Exploring the Functional Diversity of Genus Quercus L., Cham: Springer, 2017, pp. 13–38. https://doi.org/10.1007/978-3-319-69099-5_2

7. Van Valen, L., Ecological species, multispecies, and oaks, Taxon, 1976, vol. 25, nos. 2/3, pp. 233–239. https://doi.org/10.2307/1219444

8. Hubert, F., Grimm, G.W., Jousselin, E., Berry, V., Franc, A., and Kremer, A., Multiple nuclear genes stabilize the phylogenetic backbone of the genus Quercus,Syst. Biodivers., 2014, vol. 12, no. 4, pp. 405–423. https://doi.org/10.1080/14772000.2014.941037

9. Pham, K.K., Hipp, A.L., Manos, P.S., and Cronn, R.C., A time and a place for everything: phylogenetic history and geography as joint predictors of oak plastome phylogeny, Genome, 2017, vol. 60, no. 9, pp. 720–732. https://doi.org/10.1139/gen-2016-0191

10. McVay, J.D., Hauser, D., Hipp, A.L., and Manos, P.S., Phylogenomics reveals a complex evolutionary history of lobed-leaf white oaks in western North America, Genome, 2017, vol. 60, no. 9, pp. 733–742. https://doi.org/10.1139/gen-2016-0206

11. Simeone, M.C., Cardoni, S., Piredda, R., Imperatori, F., Avishai, M., Grimm, G.W., and Denk, T., Comparative systematics and phylogeography of Quercus section Cerris in western Eurasia: inferences from plastid and nuclear DNA variation, Peer J., 2018, vol. 6. e5793. https://doi.org/10.7717/peerj.5793

12. Hipp, A.L., Manos, P.S., Hahn, M., Avishai, M., Bodénes, C., Cavender-Bares, J., Crowl, A., Deng, M., Denk, T., Fitz-Gibbon, S., Gailing, O., González-Elizondo, M.S., González-Rodríguez, A., Grimm, G.W., Jiang, X-L., Kremer, A., Lesur, I., McVay, J.D., Plomion, C., Rodríguez-Correa, H., Schulze, E-D., Simeone, M.C., Sork, V.L., and Valencia-Avalos, S., Genomic landscape of the global oak phylogeny, bioRxiv, 2019, p. 587253. https://doi.org/10.1101/587253

13. Barron, E., Averyanova, A., Kvacek, Z., Momohara, A., Pigg, K.B., Popova, S., Postigo-Mijarra, J.M., Tiffney, B.H., Utescher, T., and Zhou, Z.K., The fossil history of Quercus, in Oaks Physiological Ecology: Exploring the Functional Diversity of Genus Quercus L., Cham: Springer, 2017, pp. 39–105. https://doi.org/10.1007/978-3-319-69099-5_3

14. Chengjiu, H., Yongtian, Z., and Bartholomew, B., Fagaceae, in Flora of China, Zheng-Yi, W. and Raven, P., Eds., Beijing: Science Press, 1999, vol. 4, pp. 300–400.

15. Grant, V., Plant Speciation, New York: Columbia Univ. Press, 1981, 2nd ed.

16. Soltis, P.S. and Soltis, D.E., The role of hybridization in plant speciation, Ann. Rev. Plant Biol., 2009, vol. 60, pp. 561–588. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.043008.092039

17. Volkov, R.A., Medina, F.J., Zentgraf, U., and Hemleben, V., Molecular cell biology: organization and molecular evolution of rDNA, nucleolar dominance, and nucleolus structure, Progr. Bot., 2004, vol. 65, pp. 106–146. https://doi.org/10.1007/978-3-642-18819-0_5

18. Volkov, R.A., Zanke, C., Panchuk, I.I., and Hemleben, V., Molecular evolution of 5S rDNA of Solanum species (sect. Petota): application for molecular phylogeny and breeding, Theor. Appl. Genet., 2001, vol. 103, no. 8, pp. 1273–1282. https://doi.org/10.1007/s001220100670

19. Saini, A. and Jawali, N., Molecular evolution of 5S rDNA region in Vigna subgenus Ceratotropis and its phylogenetic implications, Plant Syst. Evol., 2009, vol. 280, nos. 3–4, p. 187. https://doi.org/10.1007/s00606-009-0178-4

20. Calio, M.F., Lepis, K.B., Pirani, J.R., and Struwe, L., Phylogeny of Helieae (Gentianaceae): Resolving taxonomic chaos in a Neotropical clade, Mol. Phylogenet. Evol., 2017, vol. 106, pp. 192–208. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2016.09.013

21. Porebski, S., Bailey, L.G., and Baum, B.R., Modification of a CTAB DNA extraction protocol for plants containing high polysaccharide and polyphenol components, Plant Mol. Biol. Rep., 1997, vol. 15, no. 1, pp. 8–15. https://doi.org/10.1007/BF02772108

22. Altschul, S.F., Gish, W., Miller, W., Myers, E.W., and Lipman, D.J., Basic local alignment search tool, J. Mol. Biol., 1990, vol. 215, no. 3, pp. 403–410. https://doi.org/10.1016/S0022-2836(05)80360-2

23. Thompson, J.D., Higgins, D.G., and Gibson, T.J., CLUSTAL W: improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighting, position-specific gap penalties and weight matrix choice, Nucleic Acids Res., 1994, vol. 22, no. 22, pp. 4673–4680. https://doi.org/10.1093/nar/22.22.4673

24. Edgar, R.C., MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput, Nucleic Acids Res., 2004, vol. 32, no. 5, pp. 1792–1797. https://doi.org/10.1093/nar/gkh340

25. Stamatakis, A., RAxML Version 8: a tool for phylogenetic analysis and post-analysis of large phylogenies, Bioinformatics, 2014, vol. 30, no. 9, pp. 1312–1313. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu033

26. Sork, V.L., Squire, K., Gugger, P.F., Steele, S.E., Levy, E.D., and Eckert, A.J., Landscape genomic analysis of candidate genes for climate adaptation in a California endemic oak, Quercus lobata,Am. J. Bot., 2016, vol. 103, no. 1, pp. 33–46. https://doi.org/10.1007/s11295-016-0975-1

27. Tynkevich, Y.O. and Volkov, R.A., Structural organization of 5S ribosomal DNA in Rosa rugosa,Cytol. Genet., 2014, vol. 48, no. 1, pp. 3–9. https://doi.org/10.3103/S0095452714010095

28. Tynkevich, Y.O., Nevelska, A.O., Chorney, I.I., and Volkov, R.A., Organization and variability of the 5S rDNA intergenic spacer of Lathyrus venetus,Bull. Vavilov Soc. Genet. Breed. Ukr., 2015, vol. 13, no. 1, pp. 81–87.

29. Rusak, O.O., Petrashchuk, V.I., Panchuk, I.I., and Volkov, R.A., Molecular organization of 5S rDNA in two Ukrainian populations of Sycamore (Acer pseudoplatanus), Bull. Vavilov Soc. Genet. Breed. Ukr., 2016, vol. 14, no. 2, pp. 216–220.

30. Shelyfist, A.Y., Tynkevich, Y.O., and Volkov, R.A., Molecular organization of 5S rDNA of Brunfelsia uniflora (Pohl.) D. Don., Bull. Vavilov Soc. Genet. Breed. Ukr., 2018, vol. 16, no. 1, pp. 61–68.

31. Douet, J. and Tourmente, S., Transcription of the 5S rRNA heterochromatic genes is epigenetically controlled in Arabidopsis thaliana and Xenopus laevis,Heredity, 2007, vol. 99, pp. 5–13. https://doi.org/10.1038/sj.hdy.6800964

32. Simon, L., Rabanal, F.A., Dubos, T., Oliver, C., Lauber, D., Poulet, A., Vogt, A., and Mandlbauer, A., Le Goff S., Sommer A., Duborjal H., Tatout C., and Probst, A.V., Genetic and epigenetic variation in 5S ribosomal RNA genes reveals genome dynamics in Arabidopsis thaliana,Nucleic Acids Res., 2018, vol. 46, no. 6, pp. 3019–3033. https://doi.org/10.1093/nar/gky163

33. Volkov, R.A., Panchuk, I.I., Borisjuk, N.V., Hosiawa-Baranska, M., Maluszynska, J., and Hemleben, V., Evolutional dynamics of 45S and 5S ribosomal DNA in ancient allohexaploid Atropa belladonna,BMC Plant Biol., 2017, vol. 17, no. 1, pp. 1–15. https://doi.org/10.1186/s12870-017-0978-6

34. Ishchenko, O.O., Panchuk, I.I., Andreev, I.O., Kunakh, V.A., and Volkov, R.A., Molecular organization of 5S ribosomal DNA of Deschapmpsia antarctica,Cytol. Genet., 2018, vol. 52, no. 6, pp. 416–421. https://doi.org/10.3103/S0095452719010146

35. Volkov, A.R. and Panchuk, I.I., 5S rDNA of Dactylus glomerata (Poaceae): molecular organization and taxonomic application, Bull. Vavilov Soc. Genet. Breed. Ukr., 2014, vol. 12, no. 1, pp. 3–11.

36. Ishchenko, O.O. and Panchuk, I.I., Molecular organization of 5S rDNA of perennial ryegrass Lolium perenne L., Bull. Vavilov Soc. Genet. Breed. Ukr., 2018, vol. 16, no. 2, pp. 166–173.

37. Garcia, S., Panero, J.L., Siroky, J., and Kovarik, A., Repeated reunions and splits feature the highly dynamic evolution of 5S and 35S ribosomal RNA genes (rDNA) in the Asteraceae family, BMC Plant Biol., 2010, vol. 10, no. 1, pp. 176. https://doi.org/10.1186/1471-2229-10-176

38. Tamayo-Ordonez, Y.J., Narváez-Zapata, J.A., Tamayo-Ordonez, M.C., and Sánchez-Teyer, L.F., Retroelements and DNA methylation could contribute to diversity of 5S rDNA in Agave L., J. Mol. Evol., 2018, vol. 86, no. 6, pp. 404–423. https://doi.org/10.1007/s00239-018-9856-6

39. Ribeiro, T., Loureiro, J., Santos, C., and Morais-Cecilio, L., Evolution of rDNA FISH patterns in the Fagaceae, Tree Genet. Genomes, 2011, vol. 7, no. 6, pp. 1113–1122. https://doi.org/10.1007/s11295-011-0399