Genetic diversity of Sinapis arvensis L. (wild mustard) in Türkiye determined by microsatellite markers

Year 2024, Volume: 64 Issue: 1, 41 - 48, 31.03.2024

Okan Güzel Emine Kaya Altop

https://doi.org/10.16955/bitkorb.1378621

Abstract

Wild mustard (Sinapis arvensis L.) is a self-fertilizing weed species that exerts negative impacts on wheat production and herbicides are intensively used to manage it. Cross-fertilization may lead to genetic differentiation in this species. Therefore, this study investigated genetic diversity among wild mustard populations collected from wheat fields across various regions in Türkiye. Genetic variation was evaluated using 5 simple sequence repeat (SSR) markers in populations collected from 30 different locations. Populations were analyzed using UPGMA (unweighted pair group method with arithmetic mean) and principal component analysis (PCA). The mean genetic diversity (GD) and polymorphism information content (PIC) values were 0.752 and 0.844, respectively. High genetic variability was recorded among populations within geographic locations. The populations were categorized into two major groups by UPGMA. There was no apparent geographic isolation among tested populations, which displayed a high degree of variability. The primary source of this variability is thought to be the adaptability of wild mustard seeds dispersed through various methods across diverse locations. Despite being a predominantly self-pollinating species, wild mustard may also employ some cross-pollination mechanisms. In conclusion, SSR markers proved useful in determining genetic diversity in outcrossing species, especially where no prior genotypic information is available. The study suggests that genetic diversity is maintained in wild mustard populations even with rotational farming practices and intensive use of herbicides.

Keywords

SSR, wild mustard, molecular marker, genetic diversity

Mikrosatellit marker ile Türkiye’de Sinapis arvensis L. (yabani hardal)’ın genetik çeşitliliğinin belirlenmesi

Abstract

Yabani hardal (Sinapis arvensis L.), buğday üretimi üzerinde olumsuz etkiler yaratan, kendi kendine döllenen bir yabancı ot türüdür ve bu türle mücadelede yoğun olarak herbisitler kullanılmaktadır. Yabancı döllenme bu türde genetik farklılaşmaya yol açabilir. Bu nedenle bu çalışmada Türkiye'nin çeşitli bölgelerindeki buğday tarlalarından toplanan yabani hardal popülasyonları arasındaki genetik çeşitlilik araştırılmıştır. Yabani hardal popülasyonlarının genetik varyasyon derecesi, Türkiye'nin 30 farklı lokasyonundan alınan örneklerde 5 basit dizi tekrarı (SSR) işaretleyici kullanılarak değerlendirilmiştir. Popülasyonlar hiyerarşik kümeleme analizi (UPGMA) ve temel bileşen analizi (PCA) kullanılarak analiz edilmiştir. Ortalama genetik çeşitlilik (GD) ve polimorfizm bilgi içeriği (PIC) değerleri sırasıyla 0.752 ve 0.844 olarak bulunmuştur. Sonuçlar, coğrafi konumlar içinde bireysel genotipler arasında yüksek genetik değişkenlik göstermiştir. Popülasyonlar UPGMA dendrogramı tarafından gösterildiği gibi, iki ana grupta kategorize edilmiştir. İncelenen yabani hardalın genotipleri arasında belirgin coğrafi izolasyon belirlenememiş ve yüksek derecede değişkenlik göstermiştir. Bu değişkenliğin ana kaynağının, farklı lokasyonlara çeşitli yöntemlerle dağıtılan yabani hardal tohumlarının adaptasyonu olduğu düşünülmektedir. Çoğunlukla kendi kendine döllenme yapan bir tür olmalarına rağmen, bazı yabancı döllenme mekanizmalarını da kullanabilirler. Sonuç olarak, SSR belirteçlerinin, özellikle önceden genotipik bilginin mevcut olmadığı durumlarda, geçiş yapan türlerdeki genetik çeşitliliğin belirlenmesinde yararlı olduğu belirlenmiştir. Çalışma, rotasyonel tarım uygulamaları ve yoğun herbisit kullanımına rağmen yabani hardal popülasyonlarında genetik çeşitliliğin korunduğunu göstermektedir.

Keywords

SSR, yabani hardal, moleküler marker, genetik çeşitlilik

References

• Altop E.K., Jabran K., Mennan H., 2018. Determination of morphological and genetic diversity of ALS (acetolactate synthase)-herbicide-resistant Echinochloa oryzoides populations in rice. International Journal of Agriculture and Biology, 20, 628-636.
• Altop E.K., Jabran K., Mennan H., 2018. Determination of morphological and genetic diversity of ALS (acetolactate synthase)-herbicide-resistant Echinochloa oryzoides populations in rice. International Journal of Agriculture and Biology, 20, 628-636.
• Anonymous 2023. Zirai Mücadele Teknik Talimatları, Cilt 6. Tarım ve Orman Bakanlığı. https://www.tarimorman.gov.tr/TAGEM/Belgeler/Teknik%20tal%C4%B1matlar%202008/C%C4%B0LT%206.pdf (accessed date: 09.09.2023)
• Ash G.J. Raman R., Crump N.S., 2003. An investigation of genetic variation in Carthamus lanatus in New South Wales, Australia, using intersimple sequence repeats (ISSR) analysis. Weed Research, 43 (3), 208-213. https://doi.org/10.1046/j.1365-3180.2003.00335.x
• Ateş A., 2022. Buğday (Triticum aestivum L.)’da yabancı ot kontrolü için kritik periyodun belirlenmesi ve yabani hardal (Sinapis arvensis L.)’in mücadele olanaklarının araştırılması. Doktora Tezi, Turgut Özal Üniversitesi, Malatya, 117 s.
• Backhaus R., Sax H., Wanders K., 1989. Status and perspectives of vegetation monitoring by remote sensing. Space Technology, 4, 333‒338
• Barret S.C.H., 1982. Crop mimicry in weeds. Economic Botany, 37, 255-282. https://doi.org/10.1007/BF02858881
• Boylu D., Kaya Altop E., 2021. Determination of morphological and genetic diversity of Alopecurus myosuroides Huds. in wheat. Turkish Journal of Weed Science, 24 (2), 108-127.
• Çağlar E., 2010. Mikrosatellit temelli markörlerle Centaurea nivea’daki genetik çeşitliliğin belirlenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, 86 s.
• De Vicente M.C., Fulton T., 2004. Using molecular marker technology in studies on plant genetic diversity: learning module, Vol 1, Institute for Genomic Diversity/International Plant Genetic Resources Instıtute (IPGRI), Cornell University, Rome, Italy.
• Erden A., 2018. Kırıkkale'deki Brassicaceae türlerinin morfolojik, anatomik, palinolojik ve moleküler filogenetik yönden araştırılması. Doktora Tezi, Kırıkkale Üniversitesi, Kırıkkale, 424 s.
• FAO 2023. FAO Statistical Databases. http://faostat.fao.org/ (accessed date: 23th September 2023).
• Filiz E., Koç İ., 2011. Bitki biyolojisinde moleküler markörler, GOÜ Ziraat Fakültesi Dergisi, 28 (2), 207-214.
• Fréville H., Justy F., Olivieri I., 2001. Comparative allozyme and microsatellite population structure in a narrow endemic plant species, Centaurea corymbosa Pourret (Asteraceae). Molecular Ecology, 10 (4), 879-889. http://dx.doi.org/10.1046/j.1365-294X.2001.01249.x
• Gıdık B., 2016. Trakya bölgesi florasındaki yabani hardal (Sinapis sp.) genotiplerinin moleküler ve morfolojik karakterizasyonu tarla koşullarındaki verimi ile kalite unsurlarının değerlendirilmesi. Doktora Tezi, Namık Kemal Üniversitesi, Tekirdağ, 230 s.
• Guo Y., Liu L., Yue Y., Fan X., Teng W., Zhang H., Gao K., Guan J., Chang Z., Teng K., 2022. Development of SSR markers based on transcriptome sequencing and verification of their conservation across species of Ornamental pennisetum Rich. (Poaceae). Agronomy, 12 (7), 1683. https://doi.org/10.3390/agronomy12071683
• Güncan A., 2010. Yabancı ot mücadelesi. Selçuk Üniversitesi Ziraat Fakültesi. Genişletilmiş ve ilave 2. Baskı, Konya, 278 s.
• IBM Corp. Released (2012). IBM SPSS Statistics for Windows, Version 21.0. Armonk, NY: IBM Corp.
• Işık K., 1997. Biyolojik çeşitlilik (Biodiversity). TÜBİTAK Bilim ve Teknik Dergisi, 30 (350), 84-87.
• Kaya-Altop E., Mennan H., Isık D., Haghnama K., 2017. Resistance to acetolactate synthase (ALS) inhibitors herbicides of Galium aparine L. (Catchweed bedstraw). Journal of Agricultural Faculty of Gaziosmanpaşa University (JAFAG), 34 (3), 91-99.
• Kaya E., 2008. Farklı çeltik ekim alanlarından toplanan Echinochloa crus-galli (L.) P. Beauv. (Darıcan) populasyonlarının morfolojik ve genetik farklılığının saptanması. Yüksek Lisans Tezi, Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Samsun, 79 s.
• Kaya-Altop E., 2012. Çeltik ekim alanlarında sorun olan Cyperus difformis L. (Kız otu)’ in genetik çeşitliliğinin ve ALS grubu herbisitlere dayanıklılığının moleküler ve bioassay yöntemlerle belirlenmesi. Doktora Tezi, Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Samsun, 166 s.
• Leon R.G., Dunne J.C., Gould F., 2021. The role of population and quantitative genetics and modern sequencing technologies to understand evolved herbicide resistance and weed fitness. Pest Management Science, 77 (1), 12-21. https://doi.org/10.1002/ps.5988
• López-Vinyallonga S., López-Alvarado J., Constantinidis T.S., Alfonso Garcia J.N., 2011. Microsatellite cross-species amplification in the genus Centaurea (Compositae). Collectanea Botanica, 30, 17-27.
• Matsuoka Y., Mitchell S.E., Kresovich S., Goodman M., Doebley J., 2002. Microsatellites in zea-variability, patterns of mutations and use for evolutionary studies. Theorotical and Applied Genetics, 104 (2-3), 436-450. https://doi.org/10.1007/s001220100694
• Meekins J.F., Ballard H.E., McCarthy B.C., 2001. Genetic variation and molecular biogeography of a North American invasive plant species (Alliaria petiolata, (Brassicaceae). International Journal of Plant Sciences, 162 (1), 161-169. https://doi.org/10.1086/317903
• Naghavi M.R., Aghaei M.J., Taleei A.R., Omidi M., Mozafari J., Hassani M.E., 2009. Genetic diversity of the D-genome in T. aestivum and Aegilops species using SSR markers. Genetic Resources and Crop Evolution, 56, 499–506.
• Nissen S.J., Masters R.A., Lee D.J., Rowe M.L., 1995. DNA-based markers systems to determine the genetic diversity of weedy species and their application to biocontrol. Weed Science, 43 (3), 504-513. http://www.jstor.org/stable/4045587
• Özden Çiftçi Y., Altınkut Uncuoğlu A., 2019. Bitki biyoteknolojisinde güncel yaklaşımlar. Palme, Ankara, 382 s. ISBN: 9786052823040
• Powell W., Machray GC., Provan J., 1996. Polymorphism revealed by simple sequence repeats. Trends in Plant Science, 1 (7), 215-221. https://doi.org/10.1016/1360-1385(96)86898-1
• Randazzo C.P., Ferri A.M., Carabajal Paladino L., Andres A.N., Ingala L.R., 2019. Cross-species transfer of SSR markers in Setaria sphacelata and Trichloris crinita sp. Agronomía Colombiana, 37 (2), 112-119. https://doi.org/10.15446/agron.colomb.v37n2.78785
• Singh R.B., Mahenderakar M.D., Jugran A.K., Singh R.K., Srivastava R.K., 2020. Assessing genetic diversity and population structure of sugarcane cultivars, progenitor species and genera using microsatellite (SSR) markers. Gene, 753, 144800. https://doi.org/10.1016/j.gene.2020.144800
• Stewart A.V., 2002. A review of Brassica species, cross-pollination and implications for pure seed production in New Zealand. Agronomy New Zealand, 32 (33), 63-82.
• Sun M., 1997. Populations genetic structure of yellow starthistle (Centaurea solstitialis), colonizing weed in the western United States. Canadian Journal of Botany, 75 (9), 1470-1478. https://doi.org/10.1139/b97-861
• Xiong Y., Liu W., Xiong Y., Yu Q., Ma X., Lei X., Li D., 2019. Revelation of genetic diversity and structure of wild Elymus excelsus (Poaceae: Triticeae) collection from western China by SSR markers. Peer Journal, 7, e8038.
• Yalım D., 2005. Türkiye’de yetişen arpa çeşitlerinde genetik çeşitliliğin ISSR (basit dizilim tekrarları) moleküler markör tekniği ile saptanması. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana, 59 s.
• Ye W.H., Mu H.P., Ge C., Ge J., 2004. Genetic structure of the invasive Chromolaena odorata in China. Weed Research, 44 (2), 129-135. https://doi.org/10.1111/j.1365-3180.2004.00381.x
• Yılmaz A., 2021. The Importance of Molecular Markers in Plant Breeding. In 2nd International 5 Ocak Congress on Applied Sciences. Proceeding Book (pp. 30-35).
• Yorgancılar M., Yakışır E., Tanur Erkoyuncu M., 2015. Moleküler markörlerin bitki ıslahında kullanımı. Bahri Dağdaş Bitkisel Araştırma Dergisi, 4 (2), 1-12, 2015 ISSN: 2148-3205.