Estimation of purity levels of pumpkin genotypes (Cucurbita pepo L.) using molecular marker

Abstract

Aims: This study was aimed to determine the purity levels of pumpkins (Cucurbita pepo L.) using molecular markers.

Methods and Results: The relationship between the purity levels and heterozygosity was estimated by using molecular markers using the dominant (simple sequence repeats, SSR) and codominant (inter-simple sequence repeats) markers in the S1, S2, S3 and S0 generation. As a result of SSR analysis, the highest mean PIC value of CMTm66 and CMTp182 primers was 0.9 and the genetic diversity was 0.10. As a result of ISSR analysis, the highest average PIC values of HVH(TCC)7, HVH(CA)7T and BDB(CA)7C primers were found as 0.4 and the genetic diversity was found to be 0.67, 0.61 and 0.86, respectively. Average PIC values of SSR and ISSR primers were 0.57 and 0.2, respectively. Therefore, the SSR primers were found to be more effective due to high polymorphism.

Conclusions: As a result of the analyzes, the number of heterozygous bands between S0, S1, S2 and S3 generation showed a decreasing acceleration. The highest number of heterozygous bands was obtained from S0 and the least heterozygous bands were from S3. This showed us that the number of heterozygous bands decreased as the purity rate increased. Successful primers detected in this study can be used in purity testing studies.

Significance and Impact of the Study: Obtaining pure lines in plants is an important factor for breeding studies. It is extremely important to use pure parents in the production of hybrid seeds in cucurbit. There is no practical way of estimating purity levels, but it can be understood that there is no genetic expansion taking into account the morphological characteristics of the plants obtained from the seeds in the field. It is important that the molecular markers detected can be used in purity testing studies.

Keywords

• Genetic diversity
• dominance
• heterozygosity
• codominance

Moleküler markörler kullanarak çerezlik kabaklarda (Cucurbita pepo L.) saflık düzeylerinin tahmin edilmesi

Öz

Amaç: Bu çalışmada moleküler markörler kullanılarak çerezlik kabaklarda (Cucurbita pepo L.) saflık düzeylerinin tahmin edilmesi amaçlanmıştır.

Yöntem ve Bulgular: Dominant ve kodominant moleküler markör teknikleri (simple sequence repeats, SSR ve inter-simple sequence repeats, ISSR) yardımıyla S0 (hiç kendileme yapılmamış), S1, S2 ve S3 kademesindeki kabakların saflık düzeyleri ile heterozigotluk arasındaki ilişki tahmin edilmiştir. SSR analizleri sonucunda CMTp182 ve CMTm66 primerlerinde ortalama PIC değeri (0.9) ve gen çeşitliliği (0.10) belirlenmiştir. ISSR analizleri sonucunda HVH(CA)₇T, HVH(TCC)₇ ve BDB(CA)₇C primerlerinde en yüksek ortalama PIC değeri (0.4) bulunmuş olup gen çeşitliliği sırasıyla 0.61, 0.67 ve 0.86 olarak tespit edilmiştir. Bu çalışmada kullanılan markör verimliliğinin bir ifadesi olan PIC değerleri karşılaştırıldığında SSR primerlerinin ortalama PIC değeri 0.57 bulunurken, ISSR markörlerinin ortalama PIC değeri ise 0.2 olarak hesaplanmıştır. Saflaşma çalışmalarında SSR primerlerinin yüksek polimorfizm göstermeleri nedeniyle daha etkin olduğu saptanmıştır.

Genel Yorum: Yapılan analizler sonucunda farklı kademeler (S0, S1, S2 ve S3) arasında heterozigot bant sayısı giderek azalan bir eğilim göstermiştir. En fazla heterozigot bant sayısı S0 kademesinden ve en az heterozigot bant sayısı S3 kademesinden elde edilmiştir. Bu durum saflaşma oranı arttıkça heterozigot bant sayısının azaldığını göstermektedir. Başarılı bulunulan primerlerin saflık düzeyi belirleme çalışmalarında kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.

Çalışmanın Önemi ve Etkisi: Bitkilerde saf hatların elde edilmesi ıslah çalışmaları için çok önemli bir etkendir. Çerezlik kabakta hibrit tohum üretiminde saf ebeveynlerin kullanılması önemlidir ve bitkilerde saflık düzeylerini tahmin etmenin pratik bir yolu bulunmamaktadır. Arazide tohumlardan elde edilen bitkiler arasındaki morfolojik özellikleri dikkate alarak genetik açılım olup olmadığı anlaşılabilmektedir. Moleküler markörlerin ebeveynlerin saflık düzeylerinin belirlenmesinde kullanılabilirliğinin belirlenmiş olması önemlidir.

Anahtar Kelimeler

• Genetik çeşitlilik
• dominant
• kodominant
• heterozigotluk

References

1. Anonymous (2017) FAO Bitkisel Üretim İstatistikleri. http://www.fao.org/faostat/en/#data/QC/visualize (Erişim Tarihi: 7 Temmuz 2021).
2. Anonymous (2018) TUİK Bitkisel Üretim İstatistikleri. https://biruni.tuik.gov.tr/medas/?kn=92&locale=tr (Erişim Tarihi: 25 Temmuz 2021).
3. Barzegar R, Peyvast G, Ahadi AM, Rabiei B, Ebadi AA, Babagolzadeh A (2013) Biochemical systematic, population structure and genetic variability studies among Iranian Cucurbita (Cucurbita pepo L.) accessions, using genomic SSRs and implications for their breeding potential. Biochemical Systematics and Ecology, 50:187-198.
4. Coskun OF, Gülşen O, Dalda-Şekerci A, Yetişir H, Pinar H (2017) Bazı çerezlik kabak hatlarında SSR markır analizi. Akademik Ziraat Dergisi, 6: 151-156.
5. Dice LR (1945) Measures of the amount of ecologic association between species. Ecology, 26 (3), 297-302.
6. Doyle JJ, Doyle JL (1990) Isolation of plant DNA from fresh tissue. Focus. 12: 13-15.
7. Ermiş S (2010) Ekolojinin kabuklu ve kabuksuz çekirdek kabak (Cucurbita pepo L.) hatlarında tohum verimi ve çerezlik kalitesine etkisi. Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Bahçe Bitkileri Anabilim Dalı, Doktora Tezi, Ankara, 153 s.
8. Esmailnia E, Arefrad M, Shabani S, Karimi M, Vafadar F, Dehestani A (2015) Genetic diversity and phylogenetic relationship of Iranian indigenous cucurbits investigated by Inter Simple Sequence Repeat (ISSR) markers. Biharean Biologist 9 (1): 47-54. Article No.: 141131. Romania.

9. Ferriol M, Pico B, Nuez F (2003) Genetic divercity of agermplasm collection of Cucurbita pepo using SRAP and AFLP markers. Theor. Appl. Genet. 107:271-282.
10. Gulsen O, Roose M (2001) Lemons: Diversity and Relationships with Selected Citrus Genotypes as Measured with Nuclear Genome Markers. J. Amer. Soc. Hort. Sci. 126 (3):309–317.
11. Gupta M, Chyi YS, Romero-Severson J, Owen JL (1994) Amplification of DNA markers from evalutionarily diverse genomes using single primers of simple-sequence repeats. Theor. Appl. Genetics, 89: 998-1006.
12. Inan N, Yildiz M, Sensoy S, Kafkas S, Abak K (2012) Efficacy of ISSR and SRAP techniques for molecular characterization of some cucurbita genotypes including naked (hull-less) seed pumpkin. Journal of Animal and Plant Sciences. 22,1:126-136.
13. Joshi SP, Gupta VS, Aggarwal RK, Ranjekar PK, Brar DS (2000) Genetic diversity and phylogenetic relationship as revealed by inter simple sequence repeat (ISSR) polymorphism in the genus Oryza. Theor. Appl. Genet., 100, 1311–1320.
14. Karaman K, Dalda-Şekerci A, Yetişir H, Gülşen O, Coskun OF (2018) Molecular, morphological and biochemical characterization of some turkish bitter melon (Momordica charantia L.) genotypes. Industrial Crops and Products, 123: 93-99.
15. Katzir N, Tadmor Y, Tzuri G, Leshzehhen E, Mozes-Daube N, Danin-Poleg Y, Paris HS (2000) Further ISSR and preliminary SSR analysis of relationship among accession of Cucurbita pepo. Acta Hort. 510:433-439.
16. Michael NV, Moon P, Fu Y, Meru G (2019) Genetik diversity among accessions of Cucurbita pepo resistant to phytophthora crown rot. American Society for Horticultural Science. 17–22.
17. Ovesna J, Polakova K, Leisova L (2002) DNA analyses and their applications in plant breeding. Czech J. Genet. Plant Breed. 38 (1): 29–40.
18. Paris HS (2005) The genes of pumpkin and squash. Hortscience 40:1620-1630.
19. Pinar H, Coskun OF, Uysal E, Gülşen O, Yetişir H (2017)a Yöresel cırgalan biberi genotiplerinin ISSR markırları ile karakterizasyonu. Akademik Ziraat Dergisi, 6: 145-150.
20. Pinar H, Coskun OF, Uysal E, Gülşen O, Yetişir H (2017)b Farklı yamula patlıcanı genotiplerinin genetik benzerliklerinin ISSR moleküler markır yardımıyla belirlenmesi. Akademik Ziraat Dergisi, 6: 157-162.
21. Röder MS, Huang XO, Ganal MW (2004) Wheat microsatellites: potantiel and implications. Berling Heidelberg, p: 255-266. Röder MS, Plaschke P, Konig SU, Borner A, Sorrells ME, Tanksley SD, Ganal MW (1995) Abundance, variability and chromosomal location of microsatellites in wheat. Mol. Gen. Genetics 246:327-333.
22. Sarı N, Tan A, Yanmaz R, Yetisir H, Balkaya A, Solmaz I, Aykas L (2008) General status of cucurbit genetic resources in Turkey, pp. 21-32. Cucurbitaceae 2008, Proceedings of the IXth EUCARPIA meeting on genetics and breeding of Cucurbitaceae, May 21-24, 2008, Avignon (France).
23. Tecirli T, Dalda-Şekerci A, Coskun OF, Gülşen O (2018) Morphological and molecular diversity among Heliotropium greuteri samples. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, 34: 1-7.
24. Uzun A, Cil A, Yaman M, Coskun OF (2020) Genetic diversity and some fruit characteristics of quince genotypes collected from Kayseri region. Turkish Journal of Agriculture - Food Science and Technology, 8(2): 318-323.
25. Uzun A, Coskun OF, Yaman M, Pinar H, Paris K (2017) Identification of genetic similarities among walnut (Juglans regia L.) genotypes selected from central anatolia region of Turkey with SRAP markers. Alatarım, 16: 26-34.
26. Xanthopoulou A, Ganopoulos I, Psomopoulos F, Manioudaki M, Moysiadis T, Kapazoglou A, Osathanunkul M, Michailidou S, Kalivas A, Tsaftaris A (2017) De novo comparative transcriptome analysis of genes involved in fruit morphology of pumpkin cultivars with extreme size difference and development of EST-SSR markers. Gene, 622:50-56.
27. Xanthopoulou A, Ganopoulos I, Tsaballa A, Nianiou-Obeidat I, Kalivas A, Tsaftaris A, Madesis P (2014) Summer squash identification by High-Resolution-Melting (HRM) analysis using gene-based EST–SSR molecular markers. Plant molecular biology reporter, 32(2), 395-405.
28. Yanmaz R, Düzeltir BK (2004) Kabak çekirdeğinin (Cucurbita pepo L.) besin değeri ve sanayide kullanım olanakları. Popüler Bilim Dergisi 11(125), 19-24.
29. Yanmaz R, Tuncer B, Eyduran E (2008) Çekirdek kabaklarında (Cucurbita pepo L.) meyve şekli ve ağırlığı ile tohum verimi ilişkisi. Türkiye III. Tohumculuk Kongresi, s 47- 51, Nevşehir.
30. Yıldırım A (2007) Moleküler genetik ders notları.
31. Zietkiewicz E, Rafalski A, Labuda D (1994) Genome fingerprinting by simple sequence repeats (SSR)- anchored PCR amplification. Genomics, 20, 176- 183.