ІДЕНТИФІКАЦІЯ ГЕНІВ-КАНДИДАТІВ ПОСУХОСТІЙКОСТІ АМАРАНТУ МЕТОДАМИ БІОІНФОРМАТИКИ
DOI:
https://doi.org/10.31359/2413.7642.2026.1.120Ключові слова:
амарант, ген, посухостійкість, NCBI, гаплотип, послідовність нуклеотидів, праймери, ПЛРАнотація
Анотація. Сьогодні амарант є нішевою культурою, продукція якої може забезпечувати харчову, кормову, декоративну, а також лікарську галузі. З кожним роком клімат все сильніше змінюється в бік потепління, і як наслідок рослини потерпають від нестачі вологи у ґрунті. Для сільськогосподарських культур є нагальною проблемою створення форм, стійких до посухи. Цей напрям селекції є актуальним і для амаранту. Мета. Знайти нуклеотидні послідовності генів-кандидатів посухостійкості в амаранту, вивчити поліморфізм, розробити праймери до послідовностей, які були знайдені. Методи. Дослідження були проведені у 2023–2025 роках на кафедрі генетики, селекції та насінництва Державного біотехнологічного університету. Проводили біоінформаційний пошук генів-кандидатів, використовуючи послідовності гену Dreb. Порівняння послідовностей виконували за допомогою методу множинного вирівнювання, з використанням програми BioEdit 7.2.5, що являє собою редактор біологічного вирівнювання послідовностей. Після знаходження генів-кандидатів посухостійкості в амаранту, з використанням програми AmplifX 2.1.1, проведено розробку праймерів. Дана програма дає можливість одразу провести тестування праймерів методом ПЛР in siliсo. Результати. У ході дослідження було виявлено 53 послідовностей ДНК, що контролюють посухостійкість у сільськогосподарських культур. З них було ідентифіковано 13 послідовностей ДНК генів-кандидатів посухостійкості в амаранту. Знайдені послідовності сформували п’ять гаплотипів, два з яких були ідентичними. У межах гаплотипу А виявлено 3 алелі, гаплотипів В і D – 2 алелі, гаплотипу С – один алельний варіант. Усі алелі у межах свого гаплотипу розрізнялися наявністю інделів різної довжини. До кожного гаплотипу було розроблено діагностичну пару праймерів, які можуть використовуватися в маркерній селекції на вивчення посухостійкості у амаранту. Висновки. У результаті проведеного біоінформаційного аналізу ідентифіковано 13 потенційних генів-кандидатів посухостійкості амаранту, встановлено їх гаплотипову структуру та алельний поліморфізм, зокрема наявність інделей різної довжини, що свідчить про генетичну різноманітність досліджених фрагментів ДНК. На основі отриманих даних розроблено діагностичні праймери для кожного виявленого гаплотипу, які можуть бути ефективно використані в маркер-асоційованій селекції для створення посухостійких сортів і гібридів амаранту.
Посилання
Список використаних джерел
1. Singh A., Kumar Mahato A., Maurya A. Amaranth Genomic Resource Database: an integrated database resource of Amaranth genes and genomics. Front Plant Sci. 2023. Vol. 14. P. 38–55. DOI: 10.3389/fpls.2023.1203855.
2. Eerapagula R., et al. Genome-wide analysis of NAC transcription factors in grain amaranth reveals structural diversity and regulatory features. Scientific Reports. 2022. Vol. 15. P. 23–630. DOI: 10.1038/s41598-025-23630-7.
3. Nkuna M., Huerta-Ocampo J., Cabrales-Orona G. Drought tolerance mechanisms in grain and vegetable Amaranthus species: physiological, biochemical and molecular insights. Agronomy. 2025. Vol. 11, №. 10. P. 12–26. URL: https://www.mdpi.com/2311-7524/11/10/1226.
4. Huerta-Ocampo J., et al. PopAmaranth: Population-genomic insights into Amaranthus species reveal candidate drought tolerance genes. Genes|Genomes|Genetics. 2020. Vol. 11, №. 7. P. 217–233. URL: https://academic.oup.com/g3journal/article-abstract/11/7/jkab103/6208888.
5. Hassan А., Huerta-Ocampo J., Nkuna M. Transcriptional regulation of drought-responsive genes in Amaranthus hypochondriacus: focus on DREB2A, ABI5, RAB18, and LEA14. Plants. 2023. Vol. 14, №. 3. P. 345. URL: https://www.mdpi.com/2311-7524/11/10/1226.
6. Zheng J., et al. Redox-mediated adaptive responses to water deficit in Amaranthus species from West Bengal, India. Plant Physiology and Biochemistry. 2025. Vol. 198. P. 85–97. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0254629925004612.
7. Liu Y., et al. Phylogenetic and functional analysis of WRKY transcription factor family in Amaranthus hypochondriacus under abiotic stress. Journal of Experimental Botany. 2020. Vol. 76, №. 12. DOI: 10.1093/jxb/erac123.
8. Cabrales-Orona G., et al. Functional characterization of stress-responsive genes AhHAB4-PAI-1 and Ah2880 in transgenic models of Amaranthus. PubMed. 2024. Vol. 100. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41675614
9. Zhou Y., et al. Overexpression of soybean DREB1 enhances drought stress tolerance of transgenic wheat in the field. Journal of Experimental Botany. 2020. Vol. 71. P. 1234–1245. DOI: 10.1093/jxb/eraa123.
10. Alzohairy A.M. BioEdit: An important software for molecular biology. GERF Bulletin of Biosciences. 2011. Vol. 2, № 1. P. 60–61.
11. Kopecka R., Kameniarova M., Cerny M., Brzobohaty B., Novak J. Abiotic Stress in Crop Production. International Journal of Molecular Sciences. 2023. Vol. 24, № 7. Р. 66–73. URL: https://doi.org/10.3390/ijms24076603.
12. Bandurska H., Niedziela J., Pietrowska-Borek M., Nuc K., Chadzinikolau T., Radzikowska D. Regulation of proline biosynthesis and resistance to drought stress in two barley (Hordeum vulgare L.) genotypes of different origin. Plant Physiol Biochem. 2017. Vol. 118. Р. 427–437. DOI: 10.1016/j.plaphy.2017.07.006.
13. Karim S., Aronsson H., Ericson H., Pirhonen M., Leyman B., Welin B., Mäntylä E., Palva E.T., Van Dijck P., Holmström K.O. Improved drought tolerance without undesired side effects in transgenic plants producing trehalose. Plant Mol Biol. 2007. Vol. 64, № 4. Р.37–86. DOI: 10.1007/s11103-007-9159-6.
14. Yu M., Yu Y., Guo S., Zhang M., Li N., Zhang S., Zhou H., Wei F., Song T., Cheng J., Fan Q., Shi C., Feng W., Wang Y., Xiang J., Zhang X. Identification of TaBADH-A1 allele for improving drought resistance and salt tolerance in wheat (Triticum aestivum L.). Front Plant Sci. 2022. Vol.1, № 13. Р. 94–235. DOI: 10.3389/fpls.2022.942359
15. Qin P., Lin Y., Hu Y., Liu K., Mao S., Li Z., Wang J., Liu Y., Wei Y., Zheng Y. Genome-wide association study of drought-related resistance traits in Aegilops tauschii. Genet Mol Biol. 2016. Vol. 39, №3. Р. 398–407. DOI: 10.1590/1678-4685-GMB-2015-0232.
16. Janzen G., Dittmar E., Langlade N., Blanchet N., Donovan L., Temme A., Burke J. Similar Transcriptomic Responses to Early and Late Drought Stresses Produce Divergent Phenotypes in Sunflower (Helianthus annuus L.). Int J Mol Sci. 2023. Vol. 24, № 11. Р. 93–151. DOI: 10.3390/ijms24119351.
17. Fang Y., Xiong L. General mechanisms of drought response and their application in drought resistance improvement in plants. Cell. Mol. Life Sci. 2015. Vol. 72. Р. 673–689. DOI: https://doi.org/10.1007/s00018-014-1767-0.
18. Joshi DC., Sood S., Hosahatti R., Kant L., Pattanayak A., Kumar A., Yadav D., Stetter M. From zero to hero: the past, present and future of grain amaranth breeding. Theor Appl Genet. 2018. Vol. 131, № 9. Р. 1807-1823. DOI: 10.1007/s00122-018-3138-y.
19. Jamalluddin N., Massawe F.J., Mayes S., Ho W.K., Symonds R.C. Genetic diversity analysis and marker-trait associations in Amaranthus species. PLOS ONE, 2022. Vol. 17, №.5. Р. 1–24. DOI: 10.1371/journal.pone.0267752.
20. Gelotar M.J., Dharajiya D.T., Solanki S.D. et al. Genetic diversity analysis and molecular characterization of grain amaranth genotypes using inter simple sequence repeat (ISSR) markers. Bull Natl Res Cent. 2019. Vol. 43, № 103. P. 314–319.URL: https://doi.org/10.1186/s42269-019-0146-2.
21. Ray T., Roy S.C. Genetic diversity of Amaranthus species from the Indo-Gangetik plains revealed by RAPD analysis leading to the development of ecotype-specific SCAR marker. J. Hered. 2009. Vol. 100, № 3. P. 338–347.
22. Délano-Frier J. P., Avilés-Arnaut H., Casarrubias-Castillo K., Casique-Arroyo G., Castrillón-Arbeláez P. A., Herrera-Estrella L., Massange-Sánchez J., Martínez-Gallardo N. A., Parra-Cota F. I., Vargas-Ortiz E. Transcriptomic analysis of grain amaranth (Amaranthus hypochondriacus). BMC Genomics. 2011. Vol. 12. P. 363. DOI: https://doi.org/10.1186/1471-2164-12-363
23. Massange-Sánchez J., Palmeros-Suárez P. A., Espitia-Rangel E., Rodríguez-Arevalo I., Sánchez-Segura L., Herrera-Estrella L. Overexpression of transcription factors AhERF and AhDOF enhances stress tolerance in amaranth. PLOS ONE. 2016. Vol. 11, № 9. P. 16–31. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0160921
24. Lata C., Prasad M. Role of DREBs in regulation of abiotic stress responses in plants. Journal of Experimental Botany. 2011. Vol. 62, №. 14. P. 4731–4748. DOI: https://doi.org/10.1093/jxb/err210
25. Rushton P. J., Somssich I. E., Ringler P., Shen Q. J. WRKY transcription factors. Trends in Plant Science. 2010. Vol. 15, №. 5. P. 247–258. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tplants.2010.02.006
REFERENCES
1. Singh A., Kumar Mahato A., Maurya A. (2023). Amaranth Genomic Resource Database: an integrated database resource of Amaranth genes and genomics. Front Plant Sci, 14, 38–55. DOI: 10.3389/fpls.2023.1203855.
2. Eerapagula R., et al. (2022). Genome-wide analysis of NAC transcription factors in grain amaranth reveals structural diversity and regulatory features Scientific Reports, 15, 23–630. DOI: 10.1038/s41598-025-23630-7.
3. Nkuna M., Huerta-Ocampo J., Cabrales-Orona G. (2025). Drought tolerance mechanisms in grain and vegetable Amaranthus species: physiological, biochemical and molecular insights Agronomy, 11(10), 12–26. URL: https://www.mdpi.com/2311-7524/11/10/1226.
4. Huerta-Ocampo J., et al. (2020). PopAmaranth: Population-genomic insights into Amaranthus species reveal candidate drought tolerance genes Genes|Genomes|Genetics, 11(7), 217–233. URL: https://academic.oup.com/g3journal/article-abstract/11/7/jkab103/6208888.
5. Hassan et al. (2023). Transcriptional regulation of drought-responsive genes in Amaranthus hypochondriacus: focus on DREB2A, ABI5, RAB18, and LEA14. Plants, 14(3), 345. URL: https://www.mdpi.com/2311-7524/11/10/1226.
6. Hassan А., Huerta-Ocampo J., Nkuna M. (2025). Redox-mediated adaptive responses to water deficit in Amaranthus species from West Bengal, India. Plant Physiology and Biochemistry, 198, 85-97. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0254629925004612.
7. Liu Y., et al. (2020). Phylogenetic and functional analysis of WRKY transcription factor family in Amaranthus hypochondriacus under abiotic stress. Journal of Experimental Botany, 76(12). DOI: 10.1093/jxb/erac123.
8. Cabrales-Orona G., et al. (2024). Functional characterization of stress-responsive genes AhHAB4-PAI-1 and Ah2880 in transgenic models of Amaranthus. PubMed, 100. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41675614
9. Zhou Y., et al. (2020). Overexpression of soybean DREB1 enhances drought stress tolerance of transgenic wheat in the field. Journal of Experimental Botany, 71, 1234–1245. DOI: 10.1093/jxb/eraa123.
10. Alzohairy A.M. (2011). BioEdit: An important software for molecular biology. GERF Bulletin of Biosciences, 2 (1), 60–61.
11. Kopecka R., Kameniarova M., Cerny M., Brzobohaty B., Novak J. (2023). Abiotic Stress in Crop Production. International Journal of Molecular Sciences, 24(7), 66–73. URL: https://doi.org/10.3390/ijms24076603.
12. Bandurska H., Niedziela J., Pietrowska-Borek M., Nuc K., Chadzinikolau T., Radzikowska D. (2017). Regulation of proline biosynthesis and resistance to drought stress in two barley (Hordeum vulgare L.) genotypes of different origin. Plant Physiol Biochem, 118, 427–437. DOI: 10.1016/j.plaphy.2017.07.006.
13. Karim S., Aronsson H., Ericson H., Pirhonen M., Leyman B., Welin B., Mäntylä E., Palva E.T., Van Dijck P., Holmström K.O. (2007). Improved drought tolerance without undesired side effects in transgenic plants producing trehalose. Plant Mol Biol, 64(4), 37–86. DOI: 10.1007/s11103-007-9159-6.
14. Yu M., Yu Y., Guo S., Zhang M., Li N., Zhang S., Zhou H., Wei F., Song T., Cheng J., Fan Q., Shi C., Feng W., Wang Y., Xiang J., Zhang X. (2022). Identification of TaBADH-A1 allele for improving drought resistance and salt tolerance in wheat (Triticum aestivum L.). Front Plant Sci., 1(13), 94–235. DOI: 10.3389/fpls.2022.942359
15. Qin P., Lin Y., Hu Y., Liu K., Mao S., Li Z., Wang J., Liu Y., Wei Y., Zheng Y. (2016). Genome-wide association study of drought-related resistance traits in Aegilops tauschii. Genet Mol Biol., 39(3), 398–407. DOI: 10.1590/1678-4685-GMB-2015-0232.
16. Janzen G., Dittmar E., Langlade N., Blanchet N., Donovan L., Temme A., Burke J. (2023). Similar Transcriptomic Responses to Early and Late Drought Stresses Produce Divergent Phenotypes in Sunflower (Helianthus annuus L.). Int J Mol Sci., 24(11), 93–151. DOI: 10.3390/ijms24119351.
17. Fang Y., Xiong L. (2015). General mechanisms of drought response and their application in drought resistance improvement in plants. Cell. Mol. Life Sci., 72, 673–689. DOI: https://doi.org/10.1007/s00018-014-1767-0.
18. Joshi DC., Sood S., Hosahatti R., Kant L., Pattanayak A., Kumar A., Yadav D., Stetter M. (2018).. From zero to hero: the past, present and future of grain amaranth breeding. Theor Appl Genet.,. 131(9), 1807–1823. DOI: 10.1007/s00122-018-3138-y.
19. Jamalluddin N., Massawe F.J., Mayes S., Ho W.K., Symonds R.C.(2022). Genetic diversity analysis and marker-trait associations in Amaranthus species. PLOS ONE, 17(5), 1–24. DOI: 10.1371/journal.pone.0267752.
20. Gelotar M.J., Dharajiya D.T., Solanki S.D. et al. (2019). Genetic diversity analysis and molecular characterization of grain amaranth genotypes using inter simple sequence repeat (ISSR) markers. Bull Natl Res Cent., 43(103), 314–319 URL: https://doi.org/10.1186/s42269-019-0146-2.
21. Ray T., Roy S.C. (2009). Genetic diversity of Amaranthus species from the Indo-Gangetik plains revealed by RAPD analysis leading to the development of ecotype-specific SCAR marker. J. Hered., 100(3), 338–347.
22. Délano-Frier J. P., Avilés-Arnaut H., Casarrubias-Castillo K., Casique-Arroyo G., Castrillón-Arbeláez P. A., Herrera-Estrella L., Massange-Sánchez J., Martínez-Gallardo N. A., Parra-Cota F. I., Vargas-Ortiz E. (2011). Transcriptomic analysis of grain amaranth (Amaranthus hypochondriacus). BMC Genomics, 12, 363. DOI: https://doi.org/10.1186/1471-2164-12-363
23. Massange-Sánchez J., Palmeros-Suárez P. A., Espitia-Rangel E., Rodríguez-Arevalo I., Sánchez-Segura L., Herrera-Estrella L. (2016). Overexpression of transcription factors AhERF and AhDOF enhances stress tolerance in amaranth. PLOS ONE., 11(9), 16–31. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0160921
24. Lata C., Prasad M. (2011). Role of DREBs in regulation of abiotic stress responses in plants. Journal of Experimental Botany, 62(14), 4731–4748. DOI: https://doi.org/10.1093/jxb/err210
25. Rushton P. J., Somssich I. E., Ringler P., Shen Q. J. (2010). WRKY transcription factors. Trends in Plant Science, 15(5), 247–258. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tplants.2010.02.006
