マイクロサテライト遺伝子座のホモクロイドからポリプロイド複合体への移行性：細葉樹種の例（）

The transferability of microsatellite loci from a homoploid to a polyploid hybrid complex: an example from fine-leaved species ().

• Przemysław P Tomczyk
• Marcin Kiedrzyński
• Iwona Jedrzejczyk
• Monika Rewers
• Pawel Wasowicz

抄録

背景:

マイクロサテライト遺伝子座（SSR）は、集団遺伝学における強力なマーカーとして広く利用されている。これらのマーカーは、イネ科植物のように、交配や多型化によって進化する植物を研究するための魅力的なツールとなっています。しかし、マイクロサテライトマーカーの開発は困難で時間のかかるものであり、特にゲノムワイドな配列データを持たない非モデル生物にとっては、その開発には時間がかかっている。一つの簡単で低コストのアプローチは、ある種や複合体のために開発されたSSR遺伝子座を、別の密接に関連した種に移植することである。本研究では、マイクロサテライト遺伝子座のホモ型からアロポリプロイド複合体への移転可能性を評価し、2つの新種での利用を評価した。研究した複合体（-）は、異なる多倍体レベルを持つイネ科植物の局所適応性の研究に有用なモデルとなる。両種とも希少種または絶滅危惧種（-山地の狭い固有種として、-低地の個体群を残す山地種として）と考えられるため、SSRマーカーのような遺伝的多様性や個体群遺伝学の研究を可能にするツールは、保全の観点からも非常に有用であると考えられる。

Background: Microsatellite loci, or single sequence repeats (SSR), are widely used as powerful markers in population genetics. They represent an attractive tool for studying plants such as grasses, whose evolution is driven by hybridisation and polyploidization. However, the development of microsatellite markers has been challenging and time-consuming, especially for non-model organisms lacking available genome-wide sequence data. One straightforward and low-cost approach is to transfer the SSR loci developed for one species, or complex, to another closely-related one. This work evaluates the transferability of microsatellite loci from homoploid to allopolyploid complexes of fine-leaved species and to assess their use in two new species. The studied complex (-) is a useful model for research on the local adaptability of grasses with different ploidy levels. Since both species can be considered as rare or threatened (-as a mountain and narrow endemic species and -a mountain species with relict lowland populations), any tool enabling studies on genetic diversity and population genetics, such as SSR markers, could also be very useful in a conservation context.

方法:

集団内の多型度はフローサイトメトリーを用いて推定した。SSR遺伝子座の移入性を試験するために、1つの2倍体集団と1つの4倍体集団、および1つの2倍体集団を選択した。我々の研究は、SSR核マーカーの転写を目的としたものであるため、ITSマーカーに基づいて系統樹を作成し、研究した複合体間の遺伝的距離を評価した。PCR産物は、SSRマーカー解析用の高分解能アガロースゲル上で分離した。また、全四倍体集団および全混合多型複合体に対して適切なソリューションを導入した。

Methods: The ploidy level within populations was estimated using flow cytometry. One diploid and one tetraploid population of and a diploid population of were chosen to test the transferability of SSR loci. Because our work describes the transfer of SSR nuclear markers designed originally for , a phylogenetic tree was prepared based on the ITS marker to assess the genetic distance between the studied complexes. The PCR products were separated on a high-resolution agarose gel, intended for SSR marker analysis. Appropriate solutions for the allotetraploid population and whole mixed-ploidy complex were implemented.

結果:

フローサイトメトリーは、調査した種と細胞型のDNA含有量に関する以前のデータを確認した。また、系統樹であるITSツリーは、複合体と調査対象種の間の遺伝的距離が小さいことを示していた。10個のマイクロサテライトマーカーの移植に成功した。すべてのマーカーは多型であった。10のSSR遺伝子座から合計163の異なる対立遺伝子がスコアされた。アクセッションのPCoAの結果、調査した個体群に対応するグループがよく分離されていることが明らかになった。全体の分散の60％以上は集団内での分化、3分の1は集団間での分化によって説明された。

Results: Flow cytometry confirmed earlier data regarding DNA content in the investigated species and cytotypes. The phylogenetic ITS tree indicated a small genetic distance between complexes and the studied species. Ten microsatellite markers were successfully transferred. All markers were polymorphic. In total, 163 different alleles were scored from the 10 SSR loci. PCoA of accessions revealed well-separated groups corresponding to studied populations. Over 60% of the total variance is explained by differentiation within populations and one third among them.

結論:

移植されたマーカーは、細胞型と種の間や細胞型内での集団遺伝学や遺伝関係を研究するための有効なツールである。本研究で得られたマーカーは、本種の近親交配の抑圧や、山地と低地の異なる細胞型間の遺伝的多様性の程度の変化を研究するために利用できる。また、本研究で得られた知見は、ポリプロイド複合体の遺伝的レベルでの生物多様性を確保するための保全戦略の研究にも応用可能である。

Conclusions: The transferred markers are valid tools for the study of population genetics and inheritance relationships within cytotypes and species and between them. The presented markers can be used to study inbreeding depression in the species, and variations in the degrees of genetic diversity between different cytotypes in mountain and lowland areas. Our findings can also be applied to study conservation strategies for ensuring biodiversity at the genetic level in polyploid complexes.

©2020 Tomczyk et al.