Botanica Pacifica. A journal of plant science and conservation 2026. Preprint
Article first published online: 24 JAN 2026 | DOI: 10.17581/bp.2026.15104
Registration and modeling of introgressive processes in mixed and isolated populations of Elymus gmelinii and E. pendulinus (Poaceae: Triticeae) in the southern Primorye Territory (Russia)
Alexander V. Agafonov
,
Elena V. Shabanova (Kobozeva) &
Sergei V. Asbaganov Central Siberian Botanical Garden SB RAS, Novosibirsk, Russia
This study aimed to evaluate the possibility of introgression between the StYgenomic species Elymus gmelinii and E. pendulinus in mixed populations using hybridization and molecular markers. Analysis of ISSR markers from individuals grown from seeds collected in natural populations revealed the presence of cross-specific markers in some plants. To test for introgression potential, we generated a series of interspecific hybrids between Primorye Territory biotypes of the two species. Seed fertility stabilization was demonstrated in these hybrids. Variability and specificity in sequences of the nuclear gene GBSS1 (waxy) were examined in the hybrid E. gmelinii BKA-2059 × E. pendulinus HAS-2075, compared to parental biotypes and reference samples. The data suggest that intragenic recombination occurred in an intron of the maternal genotype between the relatively closely related St1 and Y subgenomes. Overall, our findings support the delineation of E. gmelinii and E. pendulinus as distinct species. However, under the monsoon climate with higher humidity in southern Primorye Territory, E. gmelinii exhibits a shift from xerophytic Siberian habitats to the more mesophytic ecotopes characteristic of E. pendulinus, leading occasionally to shared habitats. This ecological convergence increases the likelihood of interspecific introgression and mutual enrichment of the species' gene pools.
Агафонов А.В., Шабанова (Кобозева) Е.В., Асбаганов С.В. Регистрация и моделирование интрогрессивных процессов в смешанных и изолированных популяциях Elymus gmelinii и E. pendulinus (Poaceae: Triticeae) южного Приморья (Россия). Целью данного исследования была оценка возможности интрогрессии между видами с геномом StY – Elymus gmelinii и E. pendulinus – в смешанных популяциях с использованием методов гибридизации и молекулярных маркеров. Анализ ISSR-маркеров особей, выращенных из семян природных растений показал наличие у некоторых из них перекрестных маркеров. Для проверки возможности интрогрессии нами создана серия гибридов между приморскими биотипами двух видов. Исследована вариабельность и специфичность последовательностей ядерного гена GBSS1 (waxy) у гибрида E. gmelinii BKA-2059 × E. pendulinus HAS-2075 в сравнении с родительскими биотипами и реперными образцами. Было предположено прохождение внутригенной рекомбинации в интроне материнского генотипа между относительно близкими St1- и Y-субгеномами. В целом, наши данные подтвердили вывод о том, что E. gmelinii и E. pendulinus представляют собой обособленные виды. Тем не менее, в условиях муссонного климата с более высокими показателями влажности на юге Приморского края у вида E. gmelinii отмечается тенденция к переходу от ксерофитных местообитаний в Сибири к более мезофитным экотопам, характерным для E. pendulinus, которые иногда становятся общими для двух видов. При этом повышается вероятность межвидовой интрогрессии и взаимного обогащения генофондов обоих видов.
Keywords: Triticeae, hybridization, variability, introgression, subgenome, fertility, nuclear genes, sequencing, гибридизация, изменчивость, интрогрессия, субгеном, фертильность, ядерные гены, секвенирование
References
Agafonov, A.V. & B. Salomon. 2002. Genepools among SH genome Elymus species in boreal Eurasia. In: Proceedings of the 4th International Triticeae symposium (P. Hernández, ed.), pp. 37-41, Consejeria de Agricultura y Pesca. Sevilla, Spain.
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
Agafonov, A.V., E.V. Shabanova (Kobozeva) & A.A. Bondar. 2024. Differentiation of subgenomes in StY-genomic species of the genus Elymus (Triticeae, Poaceae) from the territory of Russia according to sequencing data of the nuclear gene GBSS1 (waxy). In: Gene Pool and Plant Breeding (Proc. VII Intern. Conf., Novosibirsk, Russia, April 10-12, 2024), pp. 5-9, ICG SB RAS, Novosibirsk (in Russian). [Агафонов А.В., Шабанова (Кобозева) Е.В., Бондарь А.А. 2024. Дифференциация субгеномов среди StY-геномных видов рода Elymus (Triticeae, Poaceae) с территории России по данным секвенирования ядерного гена GBSS1 (waxy) // Материалы VII Междунар. конф., Новосибирск, 10-12 апреля 2024 г.) Новосибирск: ИЦиГ СО РАН, 2024. С. 5-9].
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.
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, Plenum Publ. Corp., N.Y. CrossRef
Felsenstein, J. 1981. Evolutionary trees from DNA sequences: A maximum likelihood approach. Journal of Molecular Evolution 17(6):368-376. CrossRef
Kimura, M. 1980. A simple method for estimating evolutionary rate of base substitutions through comparative studies of nucleotide sequences. Journal of Molecular Evolution 16:111-120. CrossRef
Kobozeva, E.V., M.V. Olonova, S.V. Asbaganov & A.V. Agafonov. 2015. Polymorphism and specifity of StYgenome species Elymus gmelinii and E. pendulinus (Triticeae, Poaceae) in the territory of Asian Part of Russia. Rastitel'nyi 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. Т. 2, № 18. С. 45-55].
Kobozeva, E.V., M.V. Emtseva, S.V. Asbaganov & A.V. Agafonov 2017. Taxonomical specificity among species from the Russian Far East Elymus kamczadalorum, E. charkeviczii s. l. and E. kronokensis revealed by ISSRmarkers. Rastitel'nyi Mir Aziatskoi Rossii 3(27):43-50 (in Russian with English summary). [Кобозева Е.В., Емцева М.В., Асбаганов С.В., Агафонов А.В. 2017. Таксономическая специфичность дальневосточных видов Elymus kamczadalorum, E. charkeviczii s. l. и E. kronokensis, выявляемая с помощью ISSR-маркеров // Растительный мир Азиатской России. T. 3, № 27. С. 43-50].
Koonin, E.V. 2006. The origin of introns and their role in eukaryogenesis: a compromise solution to the intronsearly versus introns-late debate? Biology Direct 1:22.
Lu, B.-R. 1994. The genus Elymus in Asia. Taxonomy and biosystematics with special reference to genomic relationships. In: Proceedings of the 2nd International Triticeae symposium (R.R.-C. Wang, K.B. Jensen & C. Jaussi, eds), pp. 219-233. Logan, Utah, USA.
Lu, B.-R., B. Salomon & R. von Bothmer. 1990. Cytogenetic studies of progeny from the intergeneric crosses Elymus × Hordeum and Elymus × Secale. Genome 33(3):425-432. CrossRef
Lu, B.-R. & B. Salomon. 1992. Differentiation of the SY genomes in Asiatic Elymus. Hereditas 116:121-126. CrossRef
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. 2013. Phylogeny of a genomically diverse group of Elymus (Poaceae) allopolyploids reveals multiple levels of reticulation. PLoS ONE 8(11):e78449. CrossRef
Mason-Gamer, R.J., C.F. Weil & E.A. Kellogg. 1998. Granule-bound 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. 2010a. Phylogenetic relationships and reticulation among Asian Elymus (Poaceae) allotetraploids: analysis of three nuclear genes. Molecular Phylogenetics and Evolution 54:10-22. CrossRef
Mason-Gamer, R.J., M.M. Burns & M. Naum. 2010b. Reticulate evolutionary history of a complex group of grasses: phylogeny of Elymus StStHH allotetraploids based on three nuclear genes. PLoS ONE 5(6):e10989. CrossRef
Okonechnikov, K., O. Golosova & M. Fursov. 2012. Ugene team. Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinformatics 28(8):1166-1167. CrossRef
Probatova, N.S. 1985. Pooidae, or Cereals - Poaceae Barnh. (Gramineae Juss.). In: Vascular plants of the Soviet Far East, vol. 1 (S.S. Kharkevich, ed.), pp. 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].
Shabanova, E.V., A.V. Agafonov & O.V. Dorogina. 2024. Reproductive relationships between taxa morphologically close to Elymus caninus (Poaceae: Triticeae). Vavilov Journal of Genetics and Breeding 28(1):5-14. CrossRef
Sun, G. & B. Salomon. 2009. Molecular evolution and origin of tetraploid Elymus species. Breeding Science 59:487-491. CrossRef
Tamura, K., G. Stecher & S. Kumar. 2021. MEGA11: Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 11. Molecular Biology and Evolution 38(7):3022-3027. CrossRef
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.].
Zietkiewicz, E., A. Rafalski & D. Labuda. 1994. Genome fingerprinting by simple sequence repeat (SSR) - anchored polymerase chain reaction amplification. Genomics 20:176-183. CrossRef
|
|