Генетическая изменчивость и дифференциация суходольной и болотной ценопопуляций сосны обыкновенной в Республике Марий Эл

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поволжский государственный технологический университет

УДК 630*17:582.475

Генетическая изменчивость и дифференциация суходольной и болотной ценопопуляций сосны обыкновенной в республике Марий Эл

Шейкина Ольга Викторовна, к.с-х.н., доцент

Демаков Юрий Петрович, д.б.н., профессор

Гладков Юрий Федорович, аспирант

Унженина Ольга Владимировна, магистрант

Йошкар-Ола, Россия

Аннотация

Приведены результаты изучения генетической изменчивости и дифференциации смежных болотных и суходольных ценопопуляций сосны обыкновенной на основе анализа полиморфизма ISSR регионов ДНК. Показан близкий уровень изменчивости и относительно высокая генетическая подразделенность

Ключевые слова: СОСНА ОБЫКНОВЕННАЯ, БОЛОТНЫЕ И СУХОДОЛЬНЫЕ ЦЕНОПОПУЛЯЦИИ, ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ, ISSR МАРКЕРЫ

Abstract

UDC 630*17:582.475

Genetic variation and differentiation of pinus sylvestris in the swamps and dry lands cenopopulations of the Mary El Republic

Sheikina Olga Viktorovna, Cand.Agr.Sci., associate professor

Demakov Yuriy Petrovich, Dr.Sci.Biol., professor

Gladkov Yuriy Fedorovich, postgraduate student

Unzhenina Olga Vladimirovna, student

Volga State University of Technology, Yoshkar-Ola, Russia

The results of genetic variation and differentiation study of adjacent populations growing on swamp and on dry land was done using examine of ISSR DNA regions. The same diversity level and comparatively high division were shown in this article

Keywords: PINUS SYLVESTRIS, WETLAND AND TERRESTRIAL MATERIAL, GENETIC VARIABILITY, ISSR MARKERS

Введение

Сосна обыкновенная является одним из наиболее широко распространенных лесообразующих видов в России, который играет важную экономическую и средобразующую роль [1]. Поэтому исследованиям данного вида необходимо уделять пристальное внимание. Одним из аспектов современных исследований является изучение популяционно-хорологической структуры вида, что необходимо для разработки методов сохранения разнообразия генофонда и его рационального использования. Одной из нерешенных проблем при исследовании популяционной структуры сосны обыкновенной является оценка степени генетической обособленности болотных и суходольных насаждений данного вида.

По мнению Т.С. Седельниковой [2], болотные и суходольные популяции хвойных видов имеют общее происхождение, что подтверждают выявленные в ходе исследований сходные значения стабильных признаков репродуктивной сферы, или индексов - индекса формы макростробилов, индекса формы семенных крылаток и аэродинамических характеристик их полета, относительной длины и центромерного индекса хромосом. Формирование болотных популяций видов семейства Pinaceae происходит в соответствии с развитием процесса заболачивания. Предполагается, что возникновение фенотипической и генетической дифференциации между суходольными и болотными популяциями сосны обыкновенной вызвано изменением направления естественного отбора в контрастных гидротермических и трофических условиях данных экотопов и возникновением изоляции между ними [2, 3, 4, 5, 6]. По мнению И.Д. Махаткова и др. [7] уровень генетической дифференциации насаждений сосны из контрастных экотопов может определяться сложным взаимодействием различных факторов эволюции (отбора, фенологической изоляции и миграции семян) и зависеть от возраста болотных экосистем.

Ряд исследований указывают на наличие ярко выраженной фенологической изоляции между суходольными и болотными популяциями сосны обыкновенной [3, 5, 8, 9]. Таким образом, возникновение репродуктивной изоляции способствует фенотипической и генетической дивергенции популяций сосны обыкновенной произрастающих на болотах и суходолах, что было подтверждено рядом исследований. Было выявлено, что болотные и суходольные популяции Pinus sylvestris дифференцируются по содержанию пигментов первичной хвои у однолетних всходов [10], числу ядрышек в интерфазных ядрах [11], морфологическим характеристикам хвои [12], размерам пыльцевых зерен [13], частотам фенов первого и третьего слоев окраски семян, типа развития апофиза, окраски шишек и микростробилов [14], частоте встречаемости вторичных перетяжек в хромосомах [2], по соотношению деревьев с различным строением апофизов шишек, встречаемости деревьев со светлыми и темными семенами, с красноокрашенными и желтоокрашенными микростробилами [2, 6].

На генетическую дифференциацию болотных и суходольных популяций так же указывают достоверные различия качественных показателей семян и показателей роста их семенных потомств [5, 6]. По данным И.В. Петровой [5] наиболее существенные альтернативные морфологические различия между полусибсовыми потомствами деревьев с суходолов и болот были обнаружены в строении главных корней. В семилетнем возрасте 95% суходольных растений имели хорошо выраженных вертикальный корень, в то время как среди потомков болотной сосны преобладали растения с отсутствующем главным вертикальным корнем, а на 22-й год жизни вертикальные корни у болотных сеянец вообще отсутствовали. По мнению автора, это может быть адаптивной особенностью болотной сосны к условиям среды верховых болот.

Предполагается, что фенотипическая дифференциация индивидуальных особенностей особей в болотных и суходольных популяциях может рассматриваться как проявление стратегии выживания сосны обыкновенной [6, 15].

В ряде исследовательских работ были установлены различия в генетической структуре насаждений сосны произрастающих на суходолах и болотах на основе анализа изоформ различных ферментов [16, 17, 18, 19, 20]. Также было установлено, что различия в генетической структуре наблюдаются не только между суходольной и болотными ценопопуляциями сосны, но и между ценопопуляциями, расположенными на болотах, различающихся по типу водно-минерального питания, и на разных олиготрофных болотах [21]. В работах С.Н. Санникова и И.В. Петровой [19] и В.А. Духарева [22] была показана большая генетическая подразделенность выборок с олиготрофных болот по сравнению с выборками деревьев произрастающих в более благоприятных экологических условиях на суходолах.

Таким образом, исследования дифференциации болотных и суходольных популяций сосны обыкновенной на территории России проводились в основном на основе анализа признаков репродуктивной сферы и изменчивости изоферментов. В тоже время, нам не удалось обнаружить данные о различиях между популяциями, произрастающими в существенно различающихся экотопах на уровне ДНК. Цель нашей работы заключалась в исследовании уровня генетической изменчивости и оценке степени генетической обособленности смежных болотных и суходольных насаждений сосны обыкновенной на основе анализа ISSR участков ДНК. Данный вид ДНК маркеров хорошо себя зарекомендовал в популяционных биологических исследованиях хвойных видов [23, 24, 25, 26, 27].

сосна генетический суходол болото

Объект и методы исследования

Объектами исследования служили ценопопуляции сосны обыкновенной, произрастающие в квартале 17 Старожильского лесничества на смежных участках в лишайниково-мшистом (пробная площадь № 1) и сфагновом (ПП № 2) типах леса (рис. 1). Древостой на ПП № 1 абсолютно одновозрастный 80-летний II класса бонитета полнотой 0,75. Средний диаметр деревьев равен 25,3 см (d_min = 14 см, d_max = 42 см), а средняя высота составляет 22,4 м. На ПП № 2 древостой абсолютно разновозрастный (возраст отдельных деревьев достигает 320 лет) V^а класса бонитета полнотой 0,62. Средний диаметр деревьев составляет всего 9,8 см (d_min = 1 см, d_max = 36 см), а средняя высота - 6,6 м.

Рис. 1 - Общий вид фитоценоза А - на суходольной участке Б - на болоте «Изи Куп

В каждой ценопопуляции сосны для анализа было случайным образом отобрано по 30 деревьев, у которых с помощью особой высечки взяли образцы коры, луба, камбия и древесины. Суммарная ДНК была экстрагирована из луба ствола по протоколу Doyle J.J. and Doyle J.L. [28]. Для анализа были взяты 6 полиморфных ISSR праймеров (табл. 1).

Таблица 1.- Характеристика включенных в анализ ISSR праймеров

Полимеразную цепную реакцию (ПЦР) проводили на амплификаторе MJ Mini^TM Gradient Thermal Cycler (Bio-Rad, США) с использованием коммерческого набор реактивов «Encyclo PCR kit» (Evrogen, Россия) объемом 10 мкл: 1 мкл ПЦР-буфера; 0,2 мкл 10Мм dNTPs; 0,1 мкл 100 мкМ праймера; 1 мкл образца ДНК; 0,1 мкл Taq-полимеразы (2 ед/мкл); 7,6 мкл воды. Режим ПЦР: 5 мин денатурация при 94С (горячий старт), 0,5 мин денатурация при 94С, 45 сек отжиг при 60С, элонгация 45 сек при 72С, 7 мин достройка при 72С, 45 циклов амплификации. Детекцию продуктов амплификации проводили путем электровореза в 1,5% агарозном геле в ТВЕ буфере. Обработку данных проводили с использованием системы гель-документации GelDoc 2000 (Bio-Rad, США) и программного пакета Quantity One® Version 4.6.3. ISSR профили анализировались по наличию (1) или отсутствию (0) полос на геле. Для создания матрицы характеризующей генетические профили исследуемых образцов использовали программу BioImageGelesPCRAnalysisv. 1.0 [29]. Математическую обработку данных проводили в среде POPGENE Version 1.32 [30].

Результаты и обсуждение

Всего при использовании 6 ISSR праймеров было амплифицировано 215 фрагментов ДНК, при этом у разных праймеров количество ампликонов варьировало от 27 до 39. Длина амплифицированных фрагментов варьировала у праймера (СA)6RY от 200 до 1930 п.н., в праймера (СA)₆AG от 200 до 2450 п.н., у праймера (CA)6GT от 210 до 2200, у праймера (CA)6АC от 210 до 2500 п.н., у праймера (AG)8T от 290 до 1580 п.н. и у праймера (AG)8YT от 210 до 2400 п.н.

Было установлено, что в целом показатели генетического разнообразия выборок деревьев из смежных суходольной и болотной популяций близкие (табл. 2). Так доля полиморфных локусов составила 79,53 и 75,81%; наблюдаемое число аллелей 1,795 и 1,758; эффективное число аллелей 1,299 и 1,27; генетическое разнообразие 0,187 и 0,173; индекс Шеннона 0,294 и 0,276 соответственно для болотной и суходольной популяций.

Таблица 2 - Основные показатели генетической изменчивости выборки деревьев из смежных суходольной и болотной ценопопуляций

О дифференциации исследованных объектов можно судить по значению генетической дистанции по Nei [31], которая составила 0,0736. Величина генетической дистанции указывает на достаточно большую генетическую подразделенность изученных смежных и болотной и суходольной ценопопуляций. Такой уровень дифференциации был установлен ранее для выборок деревьев из насаждений и с лесосеменных плантаций из Республики Марий Эл и Пензенской области [32]. На генетическую дифференциацию указывает также значение показателя генетической подразделенности популяций (G_st) который в нашем случае составил 0.1389. Он говорит о том, что 86,1% всей изменчивости находится внутри изученных выборок деревьев. О существовании генетической изоляции и отсутствии прямого обмена генами также свидетельствует и малая величина потока генов (N_m) которая составила 3,09 мигранта на поколение. Также необходимо отметить, что при наличии значительной фенологической изоляции между болотными и суходольными ценопопуляциями, на существование которых указывали ряд авторов [3, 5, 8, 9], появление мигрантов может быть вызвано в результате определенного «миграционное давление» в виде попадания семян со стороны смежных насаждений, так как между ними практически отсутствует дистанционная изоляция.

Полученные результаты не противоречат проведенным ранее исследованиям, направленным на анализ изменчивости изоферментных локусов в суходольных и болотных популяциях. Так, А.В. Духарев с соавторами [16] установили, что около 30% локусов кодирующих изоформы одного фермента имеют достоверные различия при уровне значимости 0,05 у особей сосны обыкновенной в суходольной и произрастающей на болоте олиготрофного типа популяциях. И.В. Петрова [5] также установила достоверные различия аллельного состава и значительные (на уровне популяций) генетические дистанции Nei между смежными суходольными и болотными популяциями в южной части лесной зоны Западной Сибири и Русской Равнины.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках проекта № 13-04-00483.

Список литературы

1. Бобров, Е.Г. Лесообразующие хвойные СССР / Е.Г. Бобров. - Л.: Наука, 1978. - 188с.

2. Седельникова, Т.С. Дифференциация болотных и суходольных популяций видов семейства Pinaceae (репродуктивные и кариотипические особенности) / Т.С. Седельникова // Автореферат на соискание ученой степени доктора биологических наук. - Томск. - 2008. - 35с.

3. Гришина, И.В. О дифференциации смежных групп популяций болотной и суходольной сосны обыкновенной / И.В. Гришина // Генет.-селекц. исслед. на Урале. Инф. материалы. Свердловск. -1984, с. 108-109.

4. Муратова, Е.Н. Кариологическое исследование болотных и суходольных популяций сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) / Е.Н. Муратова, Т.С. Седельникова // Экология. - 1993. - № 6. - С. 41-50.

5. Петрова, И.В. Изоляция, дифференциация и хорологическая структура популяций сосны обыкновенной (на примере Северной Евразии) / И.В. Петрова // Автореферат на соискание ученой степени доктора биологических наук, Екатеринбург. - 2002 . - 48 с.

6. Пименов, А.В. Качественная оценка формового разнообразия сосны обыкновенной в лесоболотных комплексах Зпрадной Сибири / А.В. Пименов, Т.С. Седельникова // Хвойные бореальной зоны. - 2012. - XXX.№1. - С. 157-161.

7. Махатков, И.Д. Фенетическая структура популяций сосны на суходолах и болотах Западной Сибири / Махатков И.Д., Тараканов В.В., Тюпина В.М. // Хвойные бореальной зоны. - 2007. - №2-3. 248-250.

8. Гришина, И.В. О фенологической изоляции популяций сосны обыкновенной / И.В. Гришина // Экологические исследования в лесных и луговых биогеоценозах равнинного Зауралья (Труды Института экологии растений и животных УНЦ АН СССР). - Свердловск. - 1979. - С. 18-21.

9. Гришина, И.В. Изоляция и феногенетические различия смежных болотных и суходольных популяций сосны обыкновенной / И.В. Гришина // Экология. - 1985. - №5. - С 14-20.

10. Петрова И.В., Изоляция и дифференциация популяций сосны обыкновенной / И.В. Петрова, С. Н. Санников, Екатеринбург. -1996. - 156с.

11. Седельникова Т.С. Изучение ядрышек у хвойных на болотах и суходолах / Т.С. Седельникова, Е.Н. Прохорчук // Цитология. - 1999. - Т. 41, № 12.

12. Urbaniak, L. Variation of morphological needle characters of scotd pine (Pinus sylvestris L._ populations in different habitats / L. Urbaniak, L. Karlinski, R. Popiearz // Acta societatis botanicorum Poland. - 2003. - Vol. 72. - №1. - P. 37-44.

13. Седельникова, Т.С. Морфология пыльцы сосны обыкновенной на болотах и суходолах / Т. С. Седельникова, А. В. Пименов, С. П. Ефремов // Лесоведение. - 2004. - № 6. - С. 58-62.

14. Видякин, А.И. Фенетика, популяционная структура и сохранение генетического фонда сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) / Видякин А.И. // Хвойные бореальной зоны. - 2007. - №2-3. - С. 159-167.

15. Седельникова, Т.С. Особенности генеративной сферы сосны обыкновенной болотных и суходольных популяций / Т.С. Седельникова, А.В. Пименов, С.П. Ефремов, Е.Н. Муратова // Лесоведение. - 2007. - № 4. - С. 44-50.

16. Духарев, В.А. Гетерозиготность и семенная продуктивность особе сосны обыкновенной / А.В. Духарев, М.Г. Романовский, С.М. Рябоконь // Лесоведение. - 1987. - №2. - С.87-90.

17. Белоконь, Ю.С. Генетическая дифференциация болотной и суходольной популяций сосны обыкновенной (Pi-nus sylvestris L.) / Ю.С. Белоконь, Д.В. Политов, М.М Белоконь, К.В. Крутовский // Жизнь популяций в гетерогенной среде. Часть 2. Йошкар-Ола: Периодика Марий Эл, 1998. - С.23-24.

18. Дворник, В.Я. Генетическая дифференциация соседних популяций сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), произрастающих в различных экотопах / В.Я Дворник, В.С. Котов, В.П. Михеенко // Генетика. - 1998. - №9. - С. 1258-1263.

19. Санников, С.Н. Дифференциация популяций сосны обыкновенной / С.Н. Санников, И.В. Петрова. - Екатеринбург: УрО РАН. -2003. - 247 с.

20. Larionova, A. Ya. Isoenzyme Diversity and Differentiation of Marsh Scotch pine (Pinus sylvestris L.) Populations in The Western Siberia / Larionova A. Ya., Ekart A. K. // Eurasian J. For. Res. - 2011. -14-1. - Р. 21-28

21. Ларионова, А.Я. Генетическое разнообразие и дифференциация болотных популяций сосны / А.Я. Ларионова, А.К. Экарт // Хвойные бореальной зоны. - 2010. - XXVII. - № 1 - 2. - С. 120-126.

22. Духарев, В.А. Распределение деревьев по аллельному составу / В.А. Духарев // Особенности формирования популяций сосны обыкновенной: сб. ст. - Москва, 1984. - С. 81-86.

23. Новиков, П.С. Изменчивость плюсовых деревьев сосны обыкновенной на архиве клонов по ISSR маркерам // П.С. Новиков, О.В. Шейкина, Т.Н. Милютина. - Вестник МарГТУ. - 2011.- № 3. - С. 82-87

24. Новиков, П.С. ISSR-анализ деревьев сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) различных селекционных категорий /П.С. Новиков, О.В. Шейкина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - №08(82). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/65.pdf, 0,750 у.п.л

25. Прохорова, А.А. Генетическая изменчивость вегетативных потомств плюсовых деревьев на архиве клонов в Республике Марий Эл / А.А. Прохорова, О.В. Шейкина, Ю.Ф. Гладков // Вестник ПГТУ. - 2013.- № 2. - С. 91-100.

26. Милютина, Т.Н. Молекулярно - генетические исследования изменчивости клонов плюсовых деревьев Pinus sylvestris по ISSR-маркерам / Т.Н. Милютина, О.В. Шейкина, П.С. Новиков // Хвойные бореальной зоны. - 2013. - № 1-2. - том XXXI. - С. 102-105.

27. Hui-yu, L. Genetic variation and division of Pinus sylvestris provenances by ISSR markers / L. Hui-yu, J. Jing, L. Gui-feng et al. // Journal of Forest Reseach. - 2005. - V. 16. - № 3. - P. 216-218.

28. Doyle, J.J. A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue / Doyle J.J. and Doyle J.L. // Phytochem. Bull. - 1987. - 19. - Р. 11-15.

29. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. BioImageGelesPCRAnalysisv. 1.0 / Ю.А. Ипатов, П.С. Новиков, Р.В. Сергеев, А.И. Шургин, О.В. Шейкина; заявитель и патентообладатель Поволжский государственный технологический университет. - №2012619172, заявл. 20.08.2012 г.; опубл. 11.10.2012 г.

30. Yeh, F.C. POPGENE Version 1.32. Ag/For Molecular Biology and Biotechnology Centre / F.C. Yeh, R. Yang, T. Boyle // University of Alberta and Center for International Forestry Research 1997.

31. Nei, M. Genetic distance between populations Nei M. // Am Nat. - 1972. - 106. - P. 283-292.

Размещено на Allbest.ru