Эффективность молекулярно-генетических методов исследования гербарных и археоботанических образцов

В работе представлены результаты молекулярно-генетического анализа гербарных образцов из коллекции ВИР и археоботанических находок из раскопа житного двора Свято-Троицкой Сергиевой Лавры (XV век). Рассмотрены особенности работы с генетическим материалом, полученным из гербарных образцов и растительных остатков. Отмечается ряд сложностей при экстракции фрагментов ДНК. При проведении молекулярно-генетических исследований апробировано несколько протоколов выделения нуклеиновых кислот из гербарных и ископаемых образцов растений. Проведена амплификация с праймерами к участкам пластидных спейсеров psbK-psbI и trnL-trnF. У культур, хранящихся в гербарном фонде ВИР, выявлены продукты амплификации различных размеров. При сравнении результатов ПЦР выявлены идентичные по размеру продукты амплификации у засушенных растений и древних образцов ДНК одного вида. Таким образом, данное исследование свидетельствует о возможности проведения дальнейшей работы с древней ДНК из археоботанических образцов XV века.

1. Агаханов М.М., Багмет Л.В., Тихонова Н.Г., Ерастенкова М.В., Кислин Е.Н., Ухатова Ю.В., Хлесткина Е. К. Коллекция ВИР и гербарий ВИР (WIR) для сохранения, расширения и использования генетического разнообразия винограда. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2024;185(1):191-211. DOI: 10.30901/2227-8834-2024-1-191-211

2. Ames M., Spooner D.M. DNA from herbarium specimens settles a controversy about origins of the European potato. American Journal of Botany. 2008;95(2):252-257. DOI: 10.3732/ajb.95.2.252

3. Антонова О.Ю., Клименко Н.С., Рыбаков Д.А., Фомина Н.А., Желтова В.В., Новикова Л.Ю., Гавриленко Т.А. SSR-анализ современных российских сортов картофеля с использованием ДНК номенклатурных стандартов. Биотехнология и селекция растений. 2020;3(4):77-96. DOI: 10.30901/2658-6266-2020-4-o2

4. Badr A., Müller K., R. Schäfer-Pregl, El Rabey H., Effgen S., Ibrahim H.H., Pozzi C., Rohde W., Salamini F. On the origin and domestication history of barley (Hordeum vulgare). Molecular biology and evolution. 2000;17(4):499-510. DOI: 10.1093/oxfordjournals.molbev.a026330

5. Bakker F.T., Bieker V.C., Martin M.D. Herbarium collectionbased plant evolutionary genetics and genomics. Frontiers in Ecology and Evolution. 2020;8:603948. DOI: 10.3389/fevo.2020.603948

6. Bilgic H., Hakki E.E., Pandey A., Khan M.K., Akkaya M.S. Ancient DNA from 8400 year-old Catalhöyük wheat: implications for the origin of neolithic agriculture. PloS One. 2016;11(3):1-18. DOI: 10.1371/journal.pone.0151974

7. Blatter R.H.E., Jacomet S., Schlumbaum A. Little evidence for the preservation of a single-copy gene in charred archaeological wheat. Ancient Biomolecules. 2002;4(2):65-77. DOI: 10.1080/1358612021000010677

8. Brown T.A., Cappellini E., Kistler L., Lister D.L., Oliveira H.R., Schlumbaum A., Wales N. Recent advances in ancient DNA research and their implications for archaeobotany. Vegetation History and Archaeobotany. 2015;24(1):207-214. DOI: 10.1007/s00334-014-0489-4

9. Carey S.J., Becklund L.E., Fabre P.P., Schenk J.J. Optimizing the lysis step in CTAB DNA extractions of silica‐dried and herbarium leaf tissues. Applications in plant sciences. 2023;11(3):1-8. DOI: 10.1002/aps3.11522

10. Chomicki G., Renner S.S. Watermelon origin solved with molecular phylogenetics including Linnaean material: another example of museomics. New Phytologist. 2015;205(2):526-532. DOI: 10.1111/nph.13163

11. Чухина И.Г., Багмет Л.В., Дорофеев В.И., Шмаков А.И., Ухатова Ю.В. Гербаризация особо ценных образцов, включаемых в национальный каталог генетических ресурсов растений. Vavilovia. 2024;7(4):34-45. DOI: 10.30901/2658-3860-2024-4-o1

12. Doyle J.J., Dickson E.E. Preservation of plant species for DNA restriction endonuclease analysis. Taxon. 1987;36(4):715-722. DOI: 10.2307/1221122

13. Drabkova L.Z. DNA extraction from herbarium specimens. Molecular plant taxonomy: methods and protocols. 2014;1115:69-84. DOI: 10.1007/978-1-62703-767-9_4

14. Elbaum R., Melamed-Bessudo C., Boaretto E., Galili E., Lev-Yadun S., Levy A.A., Weiner S. Ancient olive DNA in pits: preservation, amplification and sequence analysis. Journal of Archaeological Science. 2006;33(1):77-88. DOI: 10.1016/j.jas.2005.06.011

15. Farrer A.G., Wright S.L., Skelly E., Eisenhofer R., Dobney K., Weyrich L.S. Effectiveness of decontamination protocols when analyzing ancient DNA preserved in dental calculus. Scientific reports. 2021;11(1):7456. DOI: 10.1038/s41598-021-86100-w

16. Fazekas A.J., Burgess K.S., Kesanakurti P.R., Graham S.W., Newmaster S.G., Husband B.C., Percy D.M., Hajibabaei M., Barrett S.C.H. Multiple multilocus DNA barcodes from the plastid genome discriminate plant species equally well. PloS One. 2008;3(7):1-12. DOI: 0.1371/journal.pone.0002802

17. Fernandez E., Thaw S., Brown T.A., Arroyo-Pardo E., Buxó R., Serret M.D., Araus J.L. DNA analysis in charred grains of naked wheat from several archaeological sites in Spain. Journal of Archaeological Science. 2013;40(1):659-670. DOI: 10.1016/j.jas.2012.07.014

18. Filatova S., Claassen B., Torres G., Krause-Kyora B., Holtgrewe Stukenbrock E., Kirleis W. Toward an investigation of diversity and cultivation of rye (Secale cereale ssp. cereal L.) in Germany: Methodological Insights and First Results from Early Modern Plant Material. Agronomy. 2021;11(12):2451. DOI: 10.3390/agronomy11122451

19. Фомина Н.А., Антонова О.Ю., Чухина И.Г., Гавриленко Т.А. Гербарные коллекции в молекулярно-генетических исследованиях. Turczaninowia. 2019;22(4):104-118. DOI: 10.14258//turczaninowia.22.4.12

20. Гавриленко Т.А., Чухина И.Г. Номенклатурные стандарты современных российских сортов картофеля, хранящиеся в гербарии ВИР (WIR): новые подходы к регистрации сортового генофонда в генбанках. Биотехнология и селекция растений. 2020;3(3):6-17. DOI: 10.30901/2658-6266-2020-3-o2

21. Gavrilenko T.A., Chukhina I.G., Antonova O.Yu., Krylova E.A., Shipilina L.Yu., Oskina N.A., Kostina L.I. Comparative analysis of the genetic diversity of Chilean cultivated potato based on a molecular study of authentic herbarium specimens and present-day gene bank accessions. Plants. 2023;12(1):174. https://doi.org/10.3390/plants12010174.

22. Goloubinoff P., Pääbo S., Wilson A.C. Evolution of maize inferred from sequence diversity of an Adh2 gene segment from archaeological specimens. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 1993;90(5):1997-2001. DOI: 10.1073/pnas.90.5.1997

23. Gouker F.E., Guo Y., Svoboda H.T., Pooler M.R. Optimizing efficient PCR‐amplifiable DNA extraction from herbarium specimens. Applications in Plant Sciences. 2023;11(3):e11521. DOI: 10.1002/aps3.11521

24. Hansson M.C., Foley B.P. Ancient DNA fragments inside classical Greek amphoras reveal cargo of 2400-year-old shipwreck. Journal of Archaeological Science. 2008;35(5):1169-1176. DOI: 10.1016/j.jas.2007.08.009

25. Kates H.R., Doby J.R., Folk R.A., Guralnick R.P., LaFrance R., Siniscalchi C.M., Soltis D.E., Soltis P.S. The effects of herbarium specimen characteristics on short-read NGS sequencing success in nearly 8000 specimens: old, degraded samples have lower DNA yields but consistent sequencing success. Frontiers in plant science. 2021;12:1-13. DOI: 10.3389/fpls.2021.669064

26. Kistler L., Newsom L.A., Ryan T.M., Clarke A.C., Smith B.D., Perry G.H. Gourds and squashes (Cucurbita spp.) adapted to megafaunal extinction and ecological anachronism through domestication. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015;11(49):15107-15112. DOI: 10.1073/pnas.1516109112

27. Криницына А.А., Сизова Т.В., Заика М.А., Сперанская А.С., Сухоруков А.П. Простой и быстрый метод выделения ДНК из гербарных образцов долгого срока хранения. Биохимия. 2015;80(11):1698-1706.

28. Lebedeva M.V., Levkoev E.A., Volkov V.A., Fetisova A.A., Navalikhin S.V., Shabunin D.A., Danilov Yu.I., Zhigunov A.V., Potokina E.K. The recovering of breeding achievements of Populus × leningradensis bogd. and Populus × newensis bogd. Based on microsatellite analysis. Russian journal of genetics. 2016;52(10):1046-1055. DOI: 10.1134/S1022795416100069

29. Lister D.L., Bower M.A., Howe C.J., Jones M.K. Extraction and amplification of nuclear DNA from herbarium specimens of emmer wheat: a method for assessing DNA preservation by maximum amplicon length recovery. Taxon. 2008;57(1):254-258. DOI: 10.2307/25065966

30. Lister D.L., Jones H., Oliveira H.R., Petrie C.A., Liu X., Cockram J., Kneale C.J., Kovaleva O.N., Jones M.K. Barley heads east: Genetic analyses reveal routes of spread through diverse Eurasian landscapes. PloS One. 2018;13(7):1-29. DOI: 10.1371/journal.pone.0196652

31. Malenica N., Maletic E., Simon S., Pejic I. Grapevine variety determination from herbarium and archeological specimens. In: ISHS Acta Horticulturae 1046: X International Conference on Grapevine Breeding and Genetics; 2014 Jule 20; Geneva, New York, USA; 2014. p.603-608. DOI: 10.17660/ActaHortic.2014.1046.83

32. Marinček P., Wagner N.D., Tomasello S. Ancient DNA extraction methods for herbarium specimens: When is it worth the effort? Applications in Plant Sciences. 2022;10(3):e11477. DOI: 10.1002/aps3.11477

33. Milanesi C., Scali M., Vignani R., Cambi F., Dugerdil L., Faleri C., Cresti M. Archaeobotanical reconstructions of vegetation and report of mummified apple seeds found in the cellar of a first-century Roman villa on Elba Island. Comptes Rendus Biologies. 2016;339(11-12):487-497. DOI: 10.1016/j.crvi.2016.09.003

34. Palmer S.A., Clapham A.J., Rose P., Freitas F.O., Owen B.D., Beresford-Jones D., Moore J.D., Kitchen J.L., Allaby R.G. Archaeogenomic evidence of punctuated genome evolution in Gossypium. Molecular Biology and Evolution. 2012;29(8):2031-2038. DOI: 10.1093/molbev/mss070

35. Perez-Escobar O.A., Tusso S., Przelomska N.A.S., Wu S., Ryan P., Nesbitt M., Silber M.V., Preick M., Fei Z., Hofreiter M., Chomicki G., Renner S.S. Genome Sequencing of up to 6,000-Year-Old Citrullus Seeds Reveals Use of a Bitter-Fleshed Species Prior to Watermelon Domestication. Molecular biology and evolution. 2022;39(8):msac168. DOI: 10.1093/molbev/msac168

36. Särkinen T., Staats M., Richardson J.E., Cowan R.S., Bakker F.T. How to Open the Treasure Chest? Optimising DNA Extraction from Herbarium Specimens. PLoS One. 2012;7(8):e43808. DOI: 10.1371/journal.pone.0043808

37. Семилет Т.В., Шипилина Л.Ю., Хлёсткина Е.К., Швачко Н.А. ПЦР-тест для установления принадлежности разрушенных остатков карбонизированных семян к роду Hordeum L. Биотехнология и селекция растений. 2024a;7(4):105-113. DOI: 10.30901/2658-6266-2024-4-o7

38. Семилет Т.В., Швачко Н.А., Ковалева О.Н., Шипилина Л.Ю., Хлесткина Е.К. Полиморфизм ДНК в локусах, связанных с адаптацией ячменя к условиям окружающей среды, при сравнении выборок семян из археологических раскопов XII века с образцами из коллекции ВИР различного географического происхождения. Биотехнология и селекция растений. 2024b;7(2):67-74. DOI: 10.30901/2658-6266-2024-2-o6

39. Sinitsyna T.A., Herden T., Friesen N. Dated phylogeny and biogeography of the Eurasian Allium section Rhizirideum (Amaryllidaceae). Plant Systematics and Evolution. 2016;302(9):1311-1328. DOI: 10.1007/s00606-016-1333-3

40. Srinivansan M., Sedmak D., Jewell S. Effect of fixatives and tissue processing on the content and integrity of nucleic acids. American Journal of Pathology. 2002;161(6):1961-1971. DOI: 10.1016/S0002-9440(10)64472-0

41. Staats M., Erkens R.H.J., Bakker F.T., Geml J., Kraaijeveld K., Richardson J.E., Stielow B., van de Vossenberg B., Wieringa J.J. Genomic treasure troves: complete genome sequencing of herbarium and insect museum specimens. PloS One. 2013;8(7):1-9. DOI: 10.1371/journal.pone.0069189

42. Wales N., Ramos Madrigal J., Cappellini E., Carmona Baez A., Samaniego Castruita J.A., Romero-Navarro J.A., Caroe C., Avila-Arcos M.C., Penaloza F., Moreno-Mayar J.V., Gasparyan B., Zardaryan D., Bagoyan T., Smith A., Pinhasi R., Bosi G., Fiorentino G., Grasso A.M., Celant A., Bar-Oz G., Tepper Y., Hall A., Scalabrin S., Miculan M., Morgante M., Di Gaspero G., Gilbert M.T.P. The limits and potential of paleogenomic techniques for reconstructing grapevine domestication. Journal of Archaeological Science. 2016;72:57-70. DOI: 10.1016/j.jas.2016.05.014

43. Yang J.Y., Pak J.H. Phylogeny of Korean Rubus (Rosaceae) based on its (nrDNA) and trnL/F intergenic region (cpDNA). Journal of Plant Biology. 2006;49(1):44-54.

44. Звягин А.С. Выделение ДНК из гербарных листьев Vitis vinifera L. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2010;58(4):436-447.