Молекулярно-филогенетическое исследование злаков круга родства рода Catabrosa P. Beauv
|
Введение 3
2. Обзор литературы 6
2.1. Описание объекта исследования: Catabrosa aquatica sensu lato и ее
системе злаков с точки зрения ботанической систематики. 6
2.2. Место рода Catabrosa в системе сем. Poaceae. 10
2.3. Молекулярные маркеры, используемые в филогенетических
исследованиях в ботанике 11
3. Материал и методы .. 14
3.1. Материал для исследования. 14
3.2. Секвенирование последовательностей ITS1-5.8S рДНК-1Т82 14
3.2.1. Выделение геномной (тотальной) ДНК 14
3.2.2. Амплификация участка гена пре-рРНК 14
3.2.3. Установление нуклеотидной последовательности (секвенирование)
3.3. Методы первичной обработки полученных последовательностей 15
3.4. Сравниваемые последовательности. 15
3.5. Алгоритмы построения филогенетических древ. 16
3.6. Метод сравнительного анализа вторичных структур РНК-копий генов
ITS1, ITS2 и 5.8S рРНК 18
4. Результаты и обсуждение 19
5. Выводы 30
6. Благодарности 30
7. Список литературы
2. Обзор литературы 6
2.1. Описание объекта исследования: Catabrosa aquatica sensu lato и ее
системе злаков с точки зрения ботанической систематики. 6
2.2. Место рода Catabrosa в системе сем. Poaceae. 10
2.3. Молекулярные маркеры, используемые в филогенетических
исследованиях в ботанике 11
3. Материал и методы .. 14
3.1. Материал для исследования. 14
3.2. Секвенирование последовательностей ITS1-5.8S рДНК-1Т82 14
3.2.1. Выделение геномной (тотальной) ДНК 14
3.2.2. Амплификация участка гена пре-рРНК 14
3.2.3. Установление нуклеотидной последовательности (секвенирование)
3.3. Методы первичной обработки полученных последовательностей 15
3.4. Сравниваемые последовательности. 15
3.5. Алгоритмы построения филогенетических древ. 16
3.6. Метод сравнительного анализа вторичных структур РНК-копий генов
ITS1, ITS2 и 5.8S рРНК 18
4. Результаты и обсуждение 19
5. Выводы 30
6. Благодарности 30
7. Список литературы
Современный этап развития эволюционной цитологии растений характеризуется принципиально новыми возможностями, появившимися с развитием новых технологий определения последовательностей ДНК, развитием математических моделей, описывающих процесс накопления нуклеотидных замен в ДНК при дивергенции таксонов и появлением компьютерной техники, позволяющей обрабатывать большие массивы данных методами биоинформатики. При этом очевидно, что корректная интерпретация данных геносистематики требует изучения молекулярно-генетических механизмов формо- и видообразования, правильного понимания общих и частных закономерностей в эволюции геномов у представителей исследуемых филогенетических групп (Ней, Кумар, 2004; Антонов, 2006).
Появление методов сравнительного изучения геномов дало в руки исследователей, работающих в области систематики животных и растений, новый инструмент для изучения родственных отношений между видами. Методы геносистематики позволяют оценивать степень генетического родства между видами и родами исследуемых организмов, верифицировать существующие и предлагать новые, основанные на сравнительном исследовании ДНК, филогенетические гипотезы. Особенно актуально использование этого экспериментального подхода когда исследователь имеет дело с таксономически сложными видами и родами, с таксонами, о системе и границах которых существуют противоречивые, иногда диаметрально противоречивые мнения.
Одна из таких групп - семейство Злаки (Poaceae) и, в частности, основной объект нашено исследования - злаки небольшого рода Catabrosa (Поручейница).
До недавнего времени считалось, что в составе рода всего один или несколько видов. Монотипным родом с единственным видом C. aquatica считал род Н.Н. Цвелев (1976). Другие исследователи полагали, что помимо широко распространенного вида с несколькими подвидами C. aquatica (Европа, Азия, Сев.и Южн. Америки, Африка) существует еще и южно¬американский вид C. werdermannii (Боливия, Аргентина, Чили) (Soreng, Fish, 2011). Так как C. aquatica считалась видом полиморфным, с несколькими подвидами (Цвелев, 1976), иногда некоторые из подвидов C. aquatica рассматривались как виды, в частности выделяли азиатский вид C. capusii (Китай, Иран, Ирак, Киргизия, Таджикистан, Турция, Узбекистан) и C. pseudoaeroides (побережья Каспийского моря и Арала) (Soreng, Fish, 2011).
Однако недавно система этого рода была радикально пересмотрена Н.Н. Цвелевым (2013), который выделил из рода C. aquatica 12 новых видов, 8 из которых встречаются во флоре России и сопредельных территорий. Затем Пунина и соавт. (2015) высказали предположение, что вид C. aquatica почти не встречается в Сибири (доходит из Европы только до Тюмени) и замещен в западной Сибири другим видом, для которого было предложено название C. ledebourii. Эти же авторы нашли еще один вид Поручейницы в Горном Алтае. Все это определило цель и задачи нашей работы.
Цель исследования:
использовать методы секвенирования ДНК и методы сравнительного анализа нуклеиновых кислот для исследования филогенетических отношений между видами рода Catabrosa P. Beauv., в частности, определить место в системе рода двух новых видов рода Catabrosa, недавно открытых на Алтае.
Кроме того, представляло интерес определить место рода Catabrosa среди других родов сем. Злаков.
Для достижения этой цели перед нами были поставлены следующие
задачи:
Выделить ДНК из 4 новых и 2 ранее описанных видов рода Catabrosa.
Секвенировать район внутренних транскрибируемых спейсеров ITS1 и ITS2, а также последовательность гена 5.8S рРНК исследуемых видов.
Сравнить последовательности района ITS1-5.8S рДНК-ITS2 секвенированных нами видов с соответствующими районами генома еще 3-х видов Catabrosa, секвенированных ранее и, используя методы молекулярной филогении, оценить генетические расстояния между новыми видами C. ledebourii и C. bogutensis и ранее описанными видами C. aquatica и C. minor, а также определить положение этих видов в системе рода Catabrosa.
Используя методы молекулярной филогении определить положение группы видов Catabrosa в системе сем. Poaceae.
Появление методов сравнительного изучения геномов дало в руки исследователей, работающих в области систематики животных и растений, новый инструмент для изучения родственных отношений между видами. Методы геносистематики позволяют оценивать степень генетического родства между видами и родами исследуемых организмов, верифицировать существующие и предлагать новые, основанные на сравнительном исследовании ДНК, филогенетические гипотезы. Особенно актуально использование этого экспериментального подхода когда исследователь имеет дело с таксономически сложными видами и родами, с таксонами, о системе и границах которых существуют противоречивые, иногда диаметрально противоречивые мнения.
Одна из таких групп - семейство Злаки (Poaceae) и, в частности, основной объект нашено исследования - злаки небольшого рода Catabrosa (Поручейница).
До недавнего времени считалось, что в составе рода всего один или несколько видов. Монотипным родом с единственным видом C. aquatica считал род Н.Н. Цвелев (1976). Другие исследователи полагали, что помимо широко распространенного вида с несколькими подвидами C. aquatica (Европа, Азия, Сев.и Южн. Америки, Африка) существует еще и южно¬американский вид C. werdermannii (Боливия, Аргентина, Чили) (Soreng, Fish, 2011). Так как C. aquatica считалась видом полиморфным, с несколькими подвидами (Цвелев, 1976), иногда некоторые из подвидов C. aquatica рассматривались как виды, в частности выделяли азиатский вид C. capusii (Китай, Иран, Ирак, Киргизия, Таджикистан, Турция, Узбекистан) и C. pseudoaeroides (побережья Каспийского моря и Арала) (Soreng, Fish, 2011).
Однако недавно система этого рода была радикально пересмотрена Н.Н. Цвелевым (2013), который выделил из рода C. aquatica 12 новых видов, 8 из которых встречаются во флоре России и сопредельных территорий. Затем Пунина и соавт. (2015) высказали предположение, что вид C. aquatica почти не встречается в Сибири (доходит из Европы только до Тюмени) и замещен в западной Сибири другим видом, для которого было предложено название C. ledebourii. Эти же авторы нашли еще один вид Поручейницы в Горном Алтае. Все это определило цель и задачи нашей работы.
Цель исследования:
использовать методы секвенирования ДНК и методы сравнительного анализа нуклеиновых кислот для исследования филогенетических отношений между видами рода Catabrosa P. Beauv., в частности, определить место в системе рода двух новых видов рода Catabrosa, недавно открытых на Алтае.
Кроме того, представляло интерес определить место рода Catabrosa среди других родов сем. Злаков.
Для достижения этой цели перед нами были поставлены следующие
задачи:
Выделить ДНК из 4 новых и 2 ранее описанных видов рода Catabrosa.
Секвенировать район внутренних транскрибируемых спейсеров ITS1 и ITS2, а также последовательность гена 5.8S рРНК исследуемых видов.
Сравнить последовательности района ITS1-5.8S рДНК-ITS2 секвенированных нами видов с соответствующими районами генома еще 3-х видов Catabrosa, секвенированных ранее и, используя методы молекулярной филогении, оценить генетические расстояния между новыми видами C. ledebourii и C. bogutensis и ранее описанными видами C. aquatica и C. minor, а также определить положение этих видов в системе рода Catabrosa.
Используя методы молекулярной филогении определить положение группы видов Catabrosa в системе сем. Poaceae.
1. Сравнительное исследование последовательностей района ITS1- 5.8S pPHK-ITS2 генов 35S рРНК видов рода Catabosa показало, что это филогенетически компактная группа видов, генетические расстояния между которыми (p-distance) находятся в пределах 2%, а между видами Catabrosa и видами близкого рода Puccinellia - 5-6%.
2. На филогенетических деревьях, построенных методами объединения ближайших соседей, методами максимального правдоподобия, парсимонии и методами Байеса все виды рода Catabrosa формируют монофилетическую кладу с высокой бутстрэп-поддержкой.
3. ITS-последовательности видов Catabrosa ledebourii и C. bogutensis по нескольким значимым позициям отличаются от всех других видов Catabrosa. Несмотря на морфологическое сходство, вид эндемик Алтая C. bogutensis отличается от североевропейского вида C. minor.
4. Рода Catabrosa, Paracolpodium, Hyalopoa, Catabrosella, Sclerochloa, Puccinellia на древе Злаков формируют монофилетическую кладу. Эти рода лишь отдаленно родственны Poa и потому заслуживают выделения в отдельную подтрибу.
5. Вид Catabrosella araratica не родственен другим видам из группы родства Catabrosa и Catabrosella и должен быть выделен в особый род или отнесен к роду Colpodium.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю - д.б.н., проф. А.В. Родионову за постоянное внимание и поддержку, коллективу Лаборатории Биосистематики и цитологии: с. н. с., к. б. н. Е.О. Пуниной, с. н. с., к. б. н. Э. М. Мачсу, в. н. с., д. б. н. В.С. Чупову, в. н. с., д. б. н. В.С. Шнеер, н. с., к. б. н. Н.Н. Носову, инж. Е.Е.Крапивской, м. н. с. Ю.В. Михайловой, асп. Л.Ю. Терентьевой за важные консультации и помощь в работе.
Работа была выполнена на средства грантов РФФИ № 12-04-31524, 12¬04-01470, 14-04-01416, 15-04-06438 и программы «Динамика генофондов».
2. На филогенетических деревьях, построенных методами объединения ближайших соседей, методами максимального правдоподобия, парсимонии и методами Байеса все виды рода Catabrosa формируют монофилетическую кладу с высокой бутстрэп-поддержкой.
3. ITS-последовательности видов Catabrosa ledebourii и C. bogutensis по нескольким значимым позициям отличаются от всех других видов Catabrosa. Несмотря на морфологическое сходство, вид эндемик Алтая C. bogutensis отличается от североевропейского вида C. minor.
4. Рода Catabrosa, Paracolpodium, Hyalopoa, Catabrosella, Sclerochloa, Puccinellia на древе Злаков формируют монофилетическую кладу. Эти рода лишь отдаленно родственны Poa и потому заслуживают выделения в отдельную подтрибу.
5. Вид Catabrosella araratica не родственен другим видам из группы родства Catabrosa и Catabrosella и должен быть выделен в особый род или отнесен к роду Colpodium.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю - д.б.н., проф. А.В. Родионову за постоянное внимание и поддержку, коллективу Лаборатории Биосистематики и цитологии: с. н. с., к. б. н. Е.О. Пуниной, с. н. с., к. б. н. Э. М. Мачсу, в. н. с., д. б. н. В.С. Чупову, в. н. с., д. б. н. В.С. Шнеер, н. с., к. б. н. Н.Н. Носову, инж. Е.Е.Крапивской, м. н. с. Ю.В. Михайловой, асп. Л.Ю. Терентьевой за важные консультации и помощь в работе.
Работа была выполнена на средства грантов РФФИ № 12-04-31524, 12¬04-01470, 14-04-01416, 15-04-06438 и программы «Динамика генофондов».
Подобные работы
- Молекулярно-филогенетическое исследование злаков круга родства
рода Catabrosa P.Beauv.
Магистерская диссертация, ботаника. Язык работы: Русский. Цена: 5550 р. Год сдачи: 2016