Những hiểu biết đầu tiên về sự phân kỳ, đại diện và phân phối nhiễm sắc thể của các đoạn RNA phiên mã ngược từ L1 retrotransposons trong đậu phộng và các loài họ hàng hoang dã

Springer Science and Business Media LLC - Tập 143 - Trang 113-125 - 2015
Sergio Sebastián Samoluk1, Germán Robledo1,2, Maricel Podio3, Laura Chalup1, Juan Pablo A. Ortiz3, Silvina Claudia Pessino3, José Guillermo Seijo1,2
1Instituto de Botánica del Nordeste (Facultad de Ciencias Agrarias, UNNE-CONICET), Corrientes, Argentina
2Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura, Universidad Nacional del Nordeste, Corrientes, Argentina
3Laboratorio de Biología Molecular, Facultad de Ciencias Agrarias, Universidad Nacional de Rosario, Zavalla, Argentina

Tóm tắt

Đậu phộng là một loài dị bội tứ bội (2n = 2x = 40, AABB) có nguồn gốc gần đây. Arachis duranensis và A. ipaënsis, hai loài lưỡng bội tổ tiên có khả năng nhất của loài trồng, cùng với một số loài lưỡng bội hoang dã khác có bộ gen khác nhau (A, B, D, F và K) được sử dụng trong các chương trình gây giống đậu phộng. Tuy nhiên, mối quan hệ gen và con đường tiến hóa của sự phân hóa gen của các loài này vẫn chưa được hiểu rõ. Chúng tôi đã thực hiện một phân tích phát sinh loài dựa trên chuỗi gen của enzyme sao chép ngược L1 và ước lượng sự hiện diện cũng như phân bố nhiễm sắc thể của nó ở các loài thuộc năm bộ gen và ba nhóm kiểu hình, với mục đích góp phần vào hiểu biết về cấu trúc gen và sự tiến hóa của đậu phộng và các họ hàng lưỡng bội hoang dã. Tất cả các đoạn rt được phân lập đều thuộc về dòng họ L1 thực vật và được đặt tên là ALI. Các nhóm phát sinh loài được hỗ trợ tốt nhất không phù hợp với các bộ gen hoặc nhóm kiểu hình. Số lượng bản sao của các trình tự ALI cao hơn mức dự kiến cho thực vật và có mối quan hệ trực tiếp với kích thước gen. Các thí nghiệm FISH cho thấy ALI chủ yếu nằm trên euchromatin của các vùng xen kẽ và tận cùng của hầu hết các nhánh nhiễm sắc thể. Sự phân hóa của các trình tự ALI có thể đã xảy ra trước khi các bộ gen và nhóm kiểu hình của Arachis phân hóa. Sự hiện diện và phân bố nhiễm sắc thể của ALI trong đậu phộng gần như là sự cộng dồn của các loài tổ tiên, cho thấy rằng sự lai tạo tự nhiên giữa hai loài tổ tiên của đậu phộng, sau đó là sự nhân đôi nhiễm sắc thể, sẽ không tạo ra một sự bùng nổ đáng kể nào của sự chuyển vị ALI.

Từ khóa

#đậu phộng #Arachis #transposon #phân tích phát sinh loài #RNA phiên mã ngược #di truyền học

Tài liệu tham khảo

Alix K, Heslop-Harrison JS (2004) The diversity of retroelements in diploid and allotetraploid Brassica species. Plant Mol Biol 54:895–909 Altschul SF, Gish W, Miller W, Myers E, Lipman DJ (1990) Basic local alignment search tool. J Mol Biol 215:403–410 Bennetzen JL, Ma J, Devos KM (2005) Mechanisms of recent genome size variation in flowering plants. Ann Bot 95:127–132 Bertioli DJ, Moretzsohn MC, Madsen LH, Sandal N, Leal-Bertioli SC, Guimarães PM, Hougaard BK, Fredslund J, Schauser L, Nielsen AM, Sato S, Tabata S, Cannon SB, Stougaard J (2009) An analysis of synteny of Arachis with Lotus and Medicago sheds new light on the structure, stability and evolution of legume genomes. BMC Genome 10:45 Bertioli DJ, Vidigal B, Nielen S, Ratnaparkhe MB, Lee T-H, Leal-Bertioli SCM, Kim C, Guimarães PM, Seijo G, Schwarzacher T, Paterson AH, Heslop-Harrison P, Araujo ACG (2013) The repetitive component of the A genome of peanut (Arachis hypogaea) and its role in remodelling intergenic sequence space since its evolutionary divergence from the B genome. Ann Bot 112:545–559 Burow MD, Simpson CE, Starr JL, Paterson A (2001) Transmission genetics of chromatin from a synthetic amphidiploid to cultivated peanut (Arachis hypogaea L.): broadening the gene pool of a monophyletic polyploid species. Genetics 159:823–837 Devos KM, Brown JKM, Bennetzen JL (2002) Genome size reduction through illegitimate recombination counteracts genome expansion in Arabidopsis. Genome Res 12:1075–1079 Di Rienzo JA, Casanoves F, Balzarini MG, González L, Tablada M, Robledo CW (2013) InfoStat version 2014. Grupo InfoStat, FCA, Universidad Nacional de Córdoba, Argentina. http://www.infostat.com.ar/ Doležel J, Bartos J (2005) Plant DNA flow cytometry and estimation of nuclear genome size. Ann Bot 95:99–110 Doolittle RF, Feng DF, Johnson MS, McClure MA (1989) Origins and evolutionary relationships of retroviruses. Quart Rev Biol 64:1–30 Fernández A, Krapovickas A (1994) Cromosomas y evolución en Arachis (Leguminosae). Bonplandia 8:188–220 Flavell AJ (1995) Retroelements, reverse transcriptase and evolution. Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol 110:3–15 Grabiele M, Chalup L, Robledo G, Seijo G (2012) Genetic and geographic origin of domesticated peanut as evidenced by 5S rDNA and chloroplast DNA sequences. Plant Syst Evol 298:1151–1165 Grattapaglia D, Sederoff R (1994) Genetic linkage Maps of Eucalyptus grandis and Eucalyptus urophylla using a pseudo-testcross: mapping strategy and RAPD markers. Genetics 137:1121–1137 Gregory MP, Gregory WC (1979) Exotic germoplasm of Arachis L. interspecific hybrids. J Hered 70:185–193 Hammons RO (1994) The origin and history of the groundnut. In: Smartt J (ed) The groundnut crop: a scientific basis for improvement. Chapman & Hall, London, pp 24–39 Han JS (2010) Non-long terminal repeat (non-LTR) retrotransposons: mechanisms, recent developments, and unanswered questions. Mobile DNA 1:15 Hawkins JS, Kim H, Nason JD, Wing RA, Wendel JF (2006) Differential lineage-specific amplification of transposable elements is responsible for genome size variation in Gossypium. Genome Res 16:1252–1261 Heitkam T, Schmidt T (2009) BNR-a LINE family from Beta vulgaris-contains a RRM domain in open reading frame 1 and defines a L1 sub-clade present in diverse plant genomes. Plant J 59:872–882 Husted L (1936) Cytological studies on the peanut Arachis. II. Chromosome number, morphology and behavior, and their application to the problem of the origin of the cultivated forms. Cytologia 7:396–423 Ichimura S, Mita K, Sugaya K (1997) A major non-LTR retrotransposon of Bombyx mori, L1Bm. J Mol Evol 45:253–264 Kashkush K, Feldman M, Levy AA (2002) Gene loss, silencing and activation in a newly synthesized wheat allotetraploid. Genetics 160:1651–1659 Kochert G, Stalker HT, Gimenes M, Galgaro L, Lopes CR, Moore K (1996) RFLP and cytogenetic evidence on the origin and evolution of allotetraploid domesticated peanut, Arachis hypogaea (Leguminosae). Am J Bot 83:1282–1291 Krapovickas A, Gregory W (1994) Taxonomía del género Arachis (Leguminosae). Bonplandia 8:1–186 Kubis SE, Heslop-Harrison JS, Desel C, Schmidt T (1998) The genomic organization of non-LTR retrotransposons (LINEs) from three Beta species and five other angiosperms. Plant Mol Biol 36:821–831 Kubo Y, Okazaki S, Anzai T, Fujiwara H (2001) Structural and phylogenetic analysis of TRAS, telomeric repeat-specific non-LTR retrotransposon families in Lepidopteran insects. Mol Biol Evol 18:848–857 Kumar A, Bennetzen JL (1999) Plant retrotransposons. Annu Rev Genet 33:479–532 Lander ES, Linton LM, Birren B, Nusbaum C, Zody MC et al (2001) Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 409:860–921 Leeton PR, Smyth DR (1993) An abundant LINE-like element amplified in the genome of Lilium speciosum. Mol Gen Genet 237:97–104 Lim KY, Kovarik A, Matyasek R, Chase MW, Clarkson JJ, Grandbastien MA, Leitch AR (2007) Sequence of events leading to near-complete genome turnover in allopolyploid Nicotiana within five million years. New Phytol 175:756–763 Liu B, Wendel JF (2000) Retroelement activation followed by rapid repression in interspecific hybrid plants. Genome 43:874–880 Ma J, Devos KM, Bennetzen JL (2004) Analyses of LTR-retrotransposon structures reveal recent and rapid genomic DNA loss in rice. Genome Res 14:860–869 Madlung A, Tyagi AP, Watson B, Jiang H, Kagochi T, Doerge RW, Martienssen R, Comai L (2005) Genomic changes in synthetic Arabidopsis polyploids. Plant J 41:221–230 Malik HS, Burke WD, Eickbush TH (1999) The age and evolution of non-LTR retrotransposable elements. Mol Biol Evol 16:793–805 Martin SL, Bushman FD (2001) Nucleic acid chaperone activity of the ORF1 protein from the mouse LINE-1 retrotransposon. Mol Cell Biol 2:467–475 Meyers BC, Tingey SV, Morgante M (2001) Abundance, distribution, and transcriptional activity of repetitive elements in the maize genome. Genome Res 11:1660–1676 Moretzhon MC, Gouvea EG, Inglis PW, Leal-Bertioli SCM, Valls JFM, Bertioli DJ (2013) A study of the relationships of cultivated peanut (Arachis hypogaea) and its most closely related wild species using intron sequences and microsatellite markers. Ann Bot 111:113–126 Moretzsohn MC, Barbosa AV, Alves-Freitas DM, Teixeira C, Leal-Bertioli SC, Guimarães PM, Pereira RW, Lopes CR, Cavallari MM, Valls JF, Bertioli DJ, Gimenes MA (2009) A linkage map for the B-genome of Arachis (Fabaceae) and its synteny to the A-genome. BMC Plant Biol 9:40 Moscone E, Matzke M, Matzke A (1996) The use of combined FISH/GISH in conjunction with DAPI counterstaining to identify chromosomes containing transgene inserts in amphidiploid tobacco. Chromosoma 105:231–236 Nielen S, Campos-Fonseca F, Leal-Bertioli S, Guimaraes P, Seijo G, Town C, Arrial R, Bertioli D (2009) FIDEL—a retrovirus-like retrotransposon and its distinct evolutionary histories in the A- and B-genome components of cultivated peanut. Chromosome Res 18:227–246 Nielen S, Vidigal B, Leal-Bertioli S, Ratnaparkhe M, Paterson A, Garsmeur O, D’Hont A, Guimarães P, Bertioli D (2011) Matita, a new retroelement from peanut: characterization and evolutionary context in the light of the Arachis A–B genome divergence. Mol Genet Genomics 287:21–38 Noma K, Ohtsubo E, Ohtsubo H (1999) Non-LTR retrotransposons (LINEs) as ubiquitous components of plant genomes. Mol Gen Genet 261:71–79 Ohshima K, Hamada M, Terai Y, Okada N (1996) The 3′-ends of tRNA-derived short interspersed repetitive elements are derived from the 3′-ends of long interspersed repetitive elements. Mol Cell Biol 16:3756–3764 Petrov DA (2002) Mutational equilibrium model of genome size evolution. Theor Popul Biol 61:531–543 Robledo G, Seijo JG (2008) Characterization of Arachis D genome using physical mapping of heterochromatic regions and rDNA loci by FISH. Genet Mol Biol 31:717–724 Robledo G, Seijo G (2010) Species relationships among the wild B genome of Arachis species (section Arachis) based on FISH mapping of rDNA loci and heterochromatin detection: a new proposal for genome arrangement. Theor Appl Genet 121:1033–1046 Robledo G, Lavia GI, Seijo G (2009) Species relations among wild Arachis species with the A genome as revealed by FISH mapping of rDNA loci and heterochromatin detection. Theor Appl Genet 118:1295–1307 Rossi M, Gonçalves Araujo P, Van Sluys MA (2001) Survey of transposable elements in sugarcane expressed sequence tags (ESTs). Genet Mol Biol 24:147–154 Saitou N, Nei M (1987) The neighbor-joining method: a new method for reconstructing phylogenetic trees. Mol Biol Evol 4:406–425 Sakamoto K, Ohmido N, Fukui K, Kamada H, Satoh S (2000) Site-specific accumulation of a LINE-like retrotransposon in a sex chromosome of the dioecious plant Cannabis sativa. Plant Mol Biol 44:723–732 Schmidt T (1999) LINEs, SINEs and repetitive DNA: non-LTR retrotransposons in plant genomes. Plant Mol Biol 40:903–910 Schön I, Arkhipova IR (2006) Two families of non-LTR retrotransposons, Syrinx and Daphne, from the Darwinulid ostracod, Darwinula stevensoni. Gene 371:296–307 Schwarzacher T, Ambros P, Schweizer D (1980) Application of Giemsa banding to orchid karyotype analysis. Plant Syst Evol 134:293–297 Schwarz-Sommer Z, Leclercq L, Göbel E, Saedler H (1987) Cin4, an insert altering the structure of the A1 gene in Zea mays, exhibits properties of nonviral retrotransposons. EMBO J 6:3873–3880 Seijo G, Lavia GI, Fernández A, Krapovickas A, Ducasse D, Moscone EA (2004) Physical mapping of 5S and 18S-25S rRNA genes evidences that Arachis duranensis and A. ipaënsis are the wild diploid species involved in the origin of A. hypogaea (Leguminosae). Am J Bot 91:2293–2303 Seijo G, Lavia GI, Fernández A, Krapovickas A, Ducasse D, Bertioli DJ, Moscone EA (2007) Genomic relationships between the cultivated peanut (Arachis hypogaea-Leguminosae) and its close relatives revealed by double GISH. Am J Bot 94:1963–1971 Shirasawa K, Bertioli D, Varshney R, Moretzsohn M, Leal-Bertioli S, Thudi M, Pandey M, Rami J, Foncéka D, Gowda M, Qin H, Guo B, Hong Y, Liang X, Hirakawa H, Tabata S, Isobe S (2013) Integrated consensus map of cultivated peanut and wild relatives reveals structures of the A and B genomes of Arachis and divergence of the legume genomes. DNA Res 20:173–184 Silvestri MC, Ortiz AM, Lavia GI (2014) rDNA loci and heterochromatin positions support a distinct genome type for ‘x = 9 species’ of section Arachis (Arachis, Leguminosae). Plant Syst Evol. doi:10.1007/s00606-014-1092-y Simpson CE, Krapovickas A, Valls JFM (2001) History of Arachis including evidence of A. hypogaea L. progenitors. Peanut Sci 28:78–80 Smartt J, Gregory WC, Gregory MP (1978) The genomes of Arachis hypogaea. 1. Cytogenetic studies of putative genome donors. Euphytica 27:665–675 Smyshlyaev G, Voigt F, Blinov A, Barabas O, Novikova O (2013) Acquisition of an Archaea-like ribonuclease H domain by plant L1 retrotransposons supports modular evolution. Proc Natl Acad Sci USA 110:20140–20145 Stalker HT (1991) A new species-section Arachis of peanuts with D genome. Am J Bot 78:630–637 Tamura K, Peterson D, Peterson N, Stecher G, Nei M, Kumar S (2011) MEGA5: molecular evolutionary genetics analysis using maximum likelihood, evolutionary distance, and maximum parsimony methods. Mol Biol Evol 28:2731–2739 Thompson JD, Higgins DG, Gibson TJ (1994) CLUSTAL W: improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighting, positions-specific gap penalties and weight matrix choice. Nucleic Acids Res 22:4673–4680 Vaio M, Mazzella C, Porro V, Speranza P, López-Carro B, Estramil E, Folle GA (2007) Nuclear DNA content in allopolyploid species and synthetic hybrids in the grass genus Paspalum. Plant Syst Evol 265:109–121 Valls JFM, Simpson CE (2005) New species of Arachis (Leguminosae) from Brazil, Paraguay and Bolivia. Bonplandia 14:35–63 Vershinin AV, Druka A, Alkhimova AG, Kleinhofs A, Heslop-Harrison JS (2002) LINEs and gypsy-like retrotransposons in Hordeum species. Plant Mol Biol 49:1–14 Wenke T, Döbel T, Sörensen TR, Junghans H, Weisshaar B, Schmidt T (2011) Targeted identification of short interspersed nuclear element families shows their widespread existence and extreme heterogeneity in plant genomes. Plant Cell 23:3117–3128 Wessler SR (2006) Transposable elements and the evolution of eukaryotic genomes. Proc Natl Acad Sci USA 103:17600–17601 Wicker T, Yahiaoui N, Guyot R, Schlagenhauf E, Liu ZD, Dubcovsky J, Keller B (2003) Rapid genome divergence at orthologous low molecular weight glutenin loci of the A and Am genomes of wheat. Plant Cell 15:1186–1197 Xiong Y, Eickbush TH (1988) Similarity of reverse transcriptase-like sequences of viruses, transposable elements, and mitochondrial introns. Mol Biol Evol 5:675–690 Xiong Y, Eickbush TH (1990) Origin and evolution of retroelements based upon their reverse transcriptase sequences. EMBO J 9:3353–3362 Zupunski V, Gubensek F, Kordis D (2001) Evolutionary dynamics and evolutionary history in the RTE clade of non-LTR retrotransposons. Mol Biol Evol 18:1849–1863