Botanica Pacifica. A journal of plant science and conservation 2021. Preprint.
Article first published online: 01 DEC 2020 | DOI: 10.17581/bp.2021.10101
Phylogenetic relationships among different morphotypes of StY-genomic species Elymus ciliaris and E. amurensis (Poaceae) as a unified macroevolutional complex
Alexander V. Agafonov
,
Elena V. Shabanova,
Maria V. Emtseva ,
Sergei V. Asbaganov &
Olga V. Dorogina Central Siberian Botanical Garden SB RAS, Russia
Microevolutionary relationships between the Far Eastern StY-genomic species Elymus ciliaris and E. amurensis were studied using a set of experimental methods. No relationship was found between the formal species affiliation of a particular accession and the component composition of protein spectra. The consensus neighbor-joining (NJ) dendrogram based on the variability of ISSR markers showed the features of differentiation among different morphotypes of the two species. Pubescence of leaf blades is not a marker of differences between the studied species. A level of crossability in E. ciliaris s. l. did not allow to study the inheritance of morphological traits. According to the results of sequencing of the nuclear gene GBSS1, the sequences of the St subgenome are the most informative in terms of microevolutionary differentiation. It is proposed to return to the early treatment by N.N. Tsvelev, where E. ciliaris and E. amurensis were considered as subspecies of E. ciliaris s. l.
Агафонов А.В., Шабанова (Кобозева) Е.В., Емцева М.В., Асбаганов С.В., Дорогина О.В. Филогенетические взаимоотношения между различающимися морфотипами StY-геномных видов Elymus ciliaris и E. amurensis (Poaceae) как единого микроэволюционного комплекса. Изучались микроэволюционные отношения между дальневосточными StY-геномными видами Еlymus ciliaris и E. amurensis с применением комплекса экспериментальных методов. По результатам анализа вариабельности белков эндосперма методом SDS-электрофореза не обнаружено связи между формальной видовой принадлежностью конкретного образца и компонентным составом белковых спектров. При анализе полиморфизма межмикросателлитных последовательностей ДНК (ISSR-маркеров) использовались 6 праймеров. Консенсусная дендрограмма, построенная методом ближайшего соседа (NJ) по данным изменчивости, показала особенности дифференциации ISSR-профилей у различающихся морфотипов среди двух видов. Опушение листовых пластин не является маркером различий между изучаемыми видами. Восемь идентифицированных морфотипов из разных ветвей дендрограммы были взяты в секвенирование ядерного гена GBSS1. Наиболее информативными в плане эволюционной дифференциации выступают последовательности субгенома St. Уровень скрещиваемости у биотипов E. ciliaris s. l. не позволил изучить наследование морфологических признаков. На основе результатов предлагается вернуться к ранней обработке Н.Н. Цвелева, где E. сiliaris и E. amurensis рассматриваются как под- виды E. ciliaris s.l.
Keywords: Elymus, SDS-electrophoresis, GBSS1, ISSR, dendrogram, taxonomy, SDS-электрофорез, дендрограмма, таксономия
References
Agafonov, A.V. 2004. Intraspecific structure and reproductive relationships between Elymus mutabilis and E. transbaicalensis (Poaceae) in Southern Siberia from the viewpoint of taxonomical genetics. Russsian Journal of Genetics 40(11):1229-1238. CrossRef
Agafonov, A.V. & O.V. Agafonova 1992. SDS-electrophoresis of endosperm proteins in the genus Elymus (L.) with different genomic structure. Sibirskii Biologicheskii Zhurnal 3:7-12 (in Russian). [Агафонов А.В., Агафонова О.В. 1992. SDS-электрофорез белков эндосперма у представителей рода пырейник (Elymus L.) c различной геномной структурой // Сибирский биологический журнал. Вып. 3. С. 7-12].
Agafonov, A.V., E.V. Kobozeva & S.I. Tatkov 2016. Absence of genetic introgression between Elymus ciliaris and E. pendulinus (Triticeae: Poaceae) according to the results of endosperm protein SDS-electrophoresis due to the hypotheses of the origin of E. amurensis. Russsian Journal of Genetics: Applied Research 6(1):62-67. CrossRef
Agafonov, A.V., S.V. Asbaganov, E.V. Shabanova (Kobozeva), I.V. Morozov & A.A. Bondar 2019. Genome constitution and differentiation of subgenomes in Siberian and Far Eastern endemic species of the genus Elymus (Poaceae) according to the sequencing of the nuclear gene waxy. Vavilov Journal of Genetics and Breeding 23(7):817-826. CrossRef
Barkworth, M.E., J.J.N. Cambell & B. Salomon 2007. Elymus L. In: Flora of North America, vol. 24 (M.E. Barkworth et al., eds), pp. 288-343. Oxford University Press, New York & Oxford.
Bothmer, R. von, B. Salomon, T. Enomoto & O. Watanabe 2005. Distribution, habitat and status for perennial Triticeae species in Japan. Botanische Jahrbücher für Systematik 126(3):317-346. CrossRef
Chen, S.L. 1997. A new subspecies and new combinations in Chinese Triticeae (Poaceae). Novon 7(3):227-230. CrossRef
Chen, S.L. & G.H. Zhu 2006. Elymus L. In: Flora of China, vol. 22, Poaceae (W. Zhengyi, P.H. Raven & H. Deyuan, eds), pp. 400-429, Science Press and Missouri Botanical Garden, Beijing and St. Louis.
Dewey, D.R. 1984. The genomic system of classification as a guide to intergeneric hybridization with the perennial Triticeae. In: Gene manipulation in plant improvement (J.P. Gustafson, ed.), pp. 209-279, Stadler Genetics Symposia Series, Springer, Boston, Ma. CrossRef
Dong, Z.Z., X. Fan, L.N. Sha, Y. Wang, J. Zeng, H.Y. Kang, H.Q. Zhang et al. 2015. Phylogeny and differentiation of the St genome in Elymus L. sensu lato (Triticeae; Poaceae) based on one nuclear DNA and two chloroplast genes. BMC Plant Biology 15:179. CrossRef
Gao, G., X. Gou, Q. Wang, Y. Zhang, J. Deng, C. Ding, L. Zhang et al. 2014. Phylogenetic relationships and Y genome origin in Chinese Elymus (Triticeae: Poaceae) based on single copy gene DMC1. Biochemical Systematics and Ecology 57(3):420-426. CrossRef
Grant, V. 1981. Plant speciation. Second Edition. Columbia University Press, New York, 563 pp.
Hu, Q., C. Yan & G. Sun 2013. Phylogenetic analysis revealed reticulate evolution of allotetraploid Elymus ciliaris. Molecular Phylogenetics and Evolution 69(3):805-813. CrossRef
Kellogg, E.A. 1992. Tools for studying the chloroplast genome in the Triticeae (Gramineae): an EcoRI map, a diagnostic deletion, and support for Bromus as an outgroup. American Journal of Botany 79(2):186-197. CrossRef
Kobozeva, E.V., D.E. Gerus, S.V. Ovchinnikova & A.V. Agafonov 2011. Taxonomic relationships between StY genome species Elymus ciliaris and E. amurensis (Poaceae). Turczaninowia 14(3):35-44 (in Russian with English summary). [Кобозева Е.В., Герус Д.Е., Овчинникова С.В., Агафонов А.В. 2011. Таксономические взаимоотношения между StY геномными видами Elymus ciliaris и E. amurensis (Poaceae) // Turczaninowia. T. 14, вып. 3. С. 35-44].
Kobozeva, E.V., M.V. Olonova, S.V. Asbaganov & A.V. Agafonov 2015. Polymorphism and specificity of StY-genome species Elymus gmelinii and E. pendulinus (Triticeae, Poaceae) in the territory of Asian part of Russia. Rastitel'nii Mir Aziatskoi Rossii 2(18):45-55 (in Russian with English summary). [Кобозева Е.В., Олонова М.В., Асбаганов С.В., Агафонов А.В. 2015. Полиморфизм и специфичность StY-геномных видов Elymus gmelinii и E. pendulinus (Triticeae, Poaceae) на территории Азиатской части России // Растительный мир Азиатской России. № 2(18). С. 45-55].
Laemmli, U.K. 1970. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature 227(5259):680-685. CrossRef
Mason-Gamer, R.J. 2001. Origin of North American Elymus (Poaceae: Triticeae) allotetraploids based on granulebound starch synthase gene sequences. Systematic Botany 26(4):757-768.
Mason-Gamer, R.J. 2004. Reticulate evolution, introgression, and intertribal gene capture in an allohexaploid grass. Systematic Biology 53(1):25-37. CrossRef
Mason-Gamer, R.J. 2007. Allopolyploids of the genus Elymus (Triticeae, Poaceae): a phylogenetic perspective. Aliso 23(1):372-379. CrossRef
Mason-Gamer, R.J. 2008. Allohexaploidy, introgression, and the complex phylogenetic history on Elymus repens (Poaceae). Molecular Phylogenetics and Evolution 47(2):598-611. CrossRef
Mason-Gamer, R.J. 2013. Phylogeny of a genomically diverse group of Elymus (Poaceae) allopolyploids reveals multiple levels of reticulation. PLoS_ONE 8:e78449. CrossRef
Mason-Gamer, R.J., C.F. Weil & E.A. Kellogg 1998. Granulebound starch synthase: structure, function, and phylogenetic utility. Molecular Biology and Evolution 15(12):1658-1673. CrossRef
Mason-Gamer, R.J., M.M. Burns & M. Naum 2010. Phylogenetic relationships and reticulation among Asian Elymus (Poaceae) allotetraploids: Analyses of three nuclear gene trees. Molecular Phylogenetics and Evolution 54(1):10-22. CrossRef
Nei, M. & W.-H. Li 1979. Mathematical model for studying genetic variation in terms of restriction endonucleases. PNAS 76(10):5269-5273. CrossRef
Okito, P., I.W. Mott, Y. Wu & R.R. Wang 2009. A Y genome specific STS marker in Pseudoroegneria and Elymus species (Triticeae: Gramineae). Genome 52(4):391-400. CrossRef
Peer Van de, Y. & R.D. Wachter 1994. TREECON for Windows: A software package for the construction and drawing of evolutionary trees for the Microsoft Windows environment. Computer Applications in the Biosciences 10(5): 569-570. CrossRef
Probatova, N.S. 1985. Pooidae, or Cereals - Poaceae Barnh. (Gramineae Juss.). In: Vascular plants of the Soviet Far East (S.S. Kharkevich, ed.), vol. 1, pp. 1:89-382, Nauka, Leningrad (in Russian). [Пробатова Н.С. 1985. Мятликовые, или злаки - Poaceae Barnh. (Gramineae Juss.) // Сосудистые растения Советского Дальнего Востока / отв. ред. С.С. Харкевич. Л.: Наука. Т. 1. С. 89-382].
Snyder, L.A. 1950. Morphological variability and hybrid development in Elymus glaucus. American Journal of Botany 37(8):628-636. CrossRef
Snyder, L.A. 1951. Cytology of inter-strain hybrids and the probable origin of variability in Elymus glaucus. American Journal of Botany 38(3):195-202. CrossRef
Stebbins, G.L. 1957. The hybrid origin of microspecies in the Elymus glaucus complex. Cytologia. suppl. vol.:336-340.
Stebbins, G.L., Jr. 1957. The hybrid origin of microspecies in the Elymus glaucus complex. In: Proceedings of the International Genetics Symposia, Tokyo & Kyoto, September 1956 (International Union of Biological Sciences, eds.), pp. 336-340, Science Council of Japan, Tokyo, Japan.
Tzvelev, N.N. 1972. New taxa of grasses (Poaceae) in the flora of USSR (Taxa nova Poacearum florae URSS). Novosti Sistematiki Vysshykh Rastenii 9:55-63 (in Russian). [Цвелев Н.Н. 1972. Новые таксоны злаков (Poaceae) флоры СССР // Новости систематики высших растений. Т. 9. С. 55-63].
Tzvelev, N.N. 1976. Grasses of the USSR. Nauka, Leningrad, 788 pp. (in Russian). [Цвелев Н.Н. 1976. Злаки СССР. Л.: Наука. 788 с.].
Tzvelev, N.N. 1991. On the genomic criterion of genera in embryophytes. Botanicheskii Zhurnal 76(5):669-676 (in Russian). [Цвелев Н.Н. 1991. О геномном критерии родов у высших растений // Ботанический журнал. Т. 76, № 5. С. 669-676].
Tzvelev, N.N. 2008. On the genus Elymus (Poaceae) in Russia. Botanicheskii Zhurnal 93(10):1587-1596 (in Russian with English summary). [Цвелев Н.Н. 2008. О роде Elymus L. (Poaceae) в России // Ботанический журнал. Т. 93. № 10. С. 1587-1596].
Tzvelev, N.N. & N.S. Probatova 2010. The genera Elymus L., Elytrigia Desv., Agropyron Gaertn., Psathyrostachys Nevski and Leymus Hochst. (Poaceae: Triticeae) in the flora of Russia. V.L. Komarov Memorial Lectures 57:5-102 (in Russian with English summary). [Цвелев Н.Н., Пробатова Н.С. 2010. Роды Elymus L., Elytrigia Desv., Agropyron Gaertn., Psathyrostachys Nevski и Leymus Hochst. (Poaceae: Triticeae) во флоре России // Комаровские чтения. Вып. 57. С. 5-102].
Tzvelev, N.N. & N.S. Probatova 2019. Grasses of Russia. KMK Scientific Press, Moscow, 646 pp. (in Russian). [Цвелев Н.Н., Пробатова Н.С. 2019. Злаки России. М.: Товарищество научных изданий КМК. 646 с.].
Yu H.Q., Wei X.H., Zhang H.Q. & Zhou Y.H. 2008. Phylogenetic relationships among Roegneria amurensis, R. ciliaris and R. japonensis (Poaceae: Triticeae). Annales Botanici Fennici 45(2):113-120. CrossRef
|
|