Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Динамика генетической структуры приводных популяций некоторых видов семейства PINACEAE LINDL. в Украине

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидат биологических наук, Мудрик, Елена Анатольевна, Донецк

НАЩ10НАЛЬНАЯ^А^ЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ДОНЕЦКИЙ БОТАНИЧЕСКИЙ САД

На правах рукописи

J Мудрик Елена Анатольевна

УДК 575:581.15:582.475(477)

ДИНАМИКА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ СЕМЕЙСТВА PINACEAE LINDL. В УКРАИНЕ

Специальность 03.00.15 - генетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель Коршиков Иван Иванович, доктор биологических наук, профессор

Донецк - 2006

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................5

РАЗДЕЛ 1. ЕСТЕСТВЕННАЯ ДИНАМИКА ПОПУЛЯЦИОННЫХ

ГЕНОФОНДОВ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ..........................12

1.1. Природные популяции как самовозобновляющиеся адаптированные системы................................................12

1.2. Современные подходы в анализе генетической изменчивости лесообразующих видов хвойных.......................................19

1.2.1. Особенности популяционно-генетической структуры

видов семейства Pinaceae Lindl.......................................23

1.2.2. Система скрещивания и инбридинг в популяциях хвойных.. ..26 РАЗДЕЛ 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................37

2.1. Характеристика районов и объектов исследований.................37

2.1.1. Реликтовая популяция сосны меловой в

Донецкой области.........................................................37

2.1.2. Реликтовая популяция сосны обыкновенной

на меловых обнажениях Кременецкого холмогорья в Тернопольской области..................................................38

2.1.3. Природная популяция сосны крымской в Горном Крыму......40

2.1.4. Разновысотные природные популяции ели европейской

в Украинских Карпатах..................................................41

2.2. Популяционно-генетические методы анализа........................42

2.2.1. Экспериментальные методы исследований.........................41

2.2.2. Ген-ферментные системы, используемые в исследовании......45

2.2.3. Статистические методы обработки экспериментальных данных......................................................................48

РАЗДЕЛ 3. ВОЗРАСТНАЯ ДИНАМИКА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ

РЕЛИКТОВОЙ ПОПУЛЯЦИИ СОСНЫ МЕЛОВОЙ ............53

ЗЛ. Генетическая изменчивость деревьев разных возрастных

групп и зародышей их семян....................................................53

3.2. Гетерогенность генетической структуры семенного потомства урожаев двух последовательных лет

растений разных возрастных групп....................................61

3.3. Анализ системы скрещивания в разновозрастных группах растений.......................................................................67

РАЗДЕЛ 4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ НАИБОЛЕЕ ВОЗРАСТНЫХ ДЕРЕВЬЕВ И ИХ СЕМЕННОГО ПОТОМСТВА РЕЛИКТОВЫХ ПОПУЛЯЦИЙ СОСНЫ МЕЛОВОЙ И СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ...............69

4.1. Особенности генетической структуры материнских растений

и зародышей их семян сосны обыкновенной и сосны меловой. 69

4.2. Система скрещивания в популяции сосны обыкновенной.......77

РАЗДЕЛ 5. ПОДДЕРЖАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ

В ПРИРОДНОЙ ПОПУЛЯЦИИ СОСНЫ КРЫМСКОЙ...........79

5.1. Высотно-поясная генетическая изменчивость растений

и зародышей семян..........................................................79

5.2. Генетическая гетерогенность урожаев семян разных лет.........88

5.3. Анализ генетической структуры зародышей семян

у деревьев с разной семенной продуктивностью.....................92

5.4. Мультилокусная структура отцовских гамет.......................101

5.5. Система скрещивания в популяции.............. .....................105

РАЗДЕЛ 6. АНАЛИЗ ПОДДЕРЖАНИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО

РАЗНООБРАЗИЯ В РАЗНОВЫСОТНЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ ЕЛИ ЕВРОПЕЙСКОЙ В УКРАИНСКИХ КАРПАТАХ...........109

6.1. Генетическая структура растений и зародышей семян высотной и низинной популяций......................................109

6.2.Система скрещивания в популяциях.................................115

РАЗДЕЛ 7. СПОСОБ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАРКИРОВАНИЯ ДЕРЕВЬЕВ,

ПРОДУЦИРУЮЩИХ БОЛЬШОЕ КОЛИЧЕСТВО ГЕТЕРОЗИГОТНЫХ СЕМЯН.......................................................117

7.1. Генетическое маркирование деревьев в природной популяции сосны крымской..........................................117

7.2. Генетическое маркирование деревьев в природной популяции сосны меловой.............................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................I25

ВЫВОДЫ................................................................................-Л28

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................130

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................161

ПРИЛОЖЕНИЕ Б........................................................................164

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В решении глобальной проблемы сохранения биологического разнообразия ключевое значение имеет определение факторов и принципов устойчивого функционирования популяций живых организмов. Изучение закономерностей системной организации популяций, особенно генетической составляющей и ее изменчивости на разных стадиях индивидуального развития организмов, необходимо для раскрытия механизмов поддержания оптимального уровня генетического разнообразия и подразделенности популяций как основы их приспособленности и рациональной эксплуатации [6, 26]. Популяционные генофонды отображают подлинные генетические ресурсы вида, сложившиеся в результате его естественного развития. Возрастающая эксплуатация природных ресурсов, сокращение природных ареалов, загрязнение окружающей среды, глобальные климатические изменения и локальное действие неблагоприятных факторов приводят к нарушению оптимального соотношения внутри- и межпопуляционных компонент генного разнообразия видов [19, 26, 41]. Пределы допустимых генетических изменений считаются превышенными, если внутрипопуляционный полиморфизм сокращается и возрастает пространственная дифференциация популяций. Анализ генетического разнообразия еще уцелевших популяционных систем -важный элемент развивающейся природоохранной генетики [6].

Неистощимое природопользование лесными ресурсами возможно, когда при естественном или искусственном воспроизводстве видовых генофондов не происходит развития неблагоприятных генетических процессов. В изолированных популяциях с низкой численностью развитие таких процессов возможно из-за нарушения соотношения доли инбридинга и ауткроссинга [4, 26]. По этим причинам популяционно-генетические исследования важны для охраняемых видов, а также для видов, находящихся на границах природных ареалов, где действие неблагоприятных факторов

может быть особенно ощутимо. Среди хвойных в Украине к таким видам относится их большинство. Исследование динамики генофондов, особенно на охраняемых территориях, где антропогенное влияние опосредованно, необходимо для выяснения уникальности генетической структуры популяций и принципов поддержания эволюционно сложившегося оптимального генетического разнообразия этих видов. Для многих лесообразующих видов хвойных семейства Pinaceae Lindl, в Украине уже изучена популяционно-генетическая изменчивость, в частности, сосны крымской (Pinns pallasiana D. Don), сосны меловой (Р. sylvestris var. cretacea Kalenicz. ex Korn.), сосны обыкновенной (P. sylvestris L.) и ели европейской (Picea abies (L.) Karst.) [18, 19, 23, 41, 46, 57, 59, 60, 88, 89]. Однако в этих работах определена генетическая структура, подразделенность и дифференциация популяций названных видов с использованием генеративно зрелых растений, и практически не изучены вопросы сравнительного анализа генетической структуры разновозрастных популяций, ее поддержание в семенном потомстве, не анализирована система скрещивания и ее динамика в разные годы, а также ее связь с семенной продуктивностью растений. Именно исследования динамики генетической структуры важны для познания факторов генетической устойчивости популяций и могут служить для разработки практических мер по сохранению редких и стабильному воспроизводству хозяйственно ценных видов.

Метод электрофоретического анализа изоферментов, с помощью которого было установлено генетическое разнообразие подавляющего большинства видов хвойных, остается наиболее удобным и информативным в популяционно-генетических исследованиях [22, 26, 62], и особенно для одно- и многолокусной оценки системы скрещивания популяций [102, 239].

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена в отделе промышленной ботаники Донецкого ботанического сада HAH Украины. Исследования являются составляющей частью госбюджетных тем: "Изучение генетического разнообразия и факторов устойчивости

популяционных систем главных лесообразующих видов Украины с целью их сохранения в экологически кризисных регионах и селекционного улучшения"(№ ГР 0102U004909), "Изучение внутривидового генетического разнообразия редких, исчезающих и интродуцированных видов растений семейства Pinaceae Lindl, в Украине" (№ ГР 0103U004181), а также работа связана с выполнением хоздоговорной темы "Генетичш дослщження релктових популяцш сосни звичайно!' на територи Кременецьких rip" (№ 4/2005 от 06.06.05) и проекта научно-исследовательских работ молодых ученых HAH Украины "Анал1з пщтримання генетично! структури природних пoпyляцiй ялини европейсько! (Picea abies (L.) Karst.) у насшневому noTOMCTBi в Украшських Карпатах" (№ ГР 0105U008150). Экспериментальная работа по данному проекту выполнена в лаборатории популяционной генетики Института обшей генетики им. Н.И. Вавилова РАН.

Цель и задачи исследования. Цель исследований - анализ динамики генетической структуры в реликтовых популяциях сосны меловой и сосны' обыкновенной, маргинальных популяциях сосны крымской и ели европейской на охраняемых территориях Украины с использованием изоферментов в качестве молекулярно-генетических маркеров. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

- изучить динамику генетической структуры деревьев разных возрастных групп в реликтовой популяции сосны меловой в Национальном природном парке (НЛП) «Святые горы» (Донецкая обл.);

- проанализировать особенности поддержания генетического разнообразия старовозрастных деревьев в семенном потомстве реликтовой популяции сосны обыкновенной, произрастающей на дерново-карбонатных почвах Кременецкого холмогорья (Тернопольская обл.);

- сравнить степень сходства генетической структуры взрослых деревьев и зародышей их семян в реликтовых популяциях сосны меловой в Донецкой области и сосны обыкновенной Кременецкого холмогорья;

- установить особенности генетической структуры материнских деревьев и семенного потомства в популяции сосны крымской в разных высотных поясах Горного Крыма;

- исследовать генетическую гетерогенность семенного потомства и динамику системы скрещивания в разные годы в выборках деревьев популяции сосны крымской из среднего пояса Горного Крыма и разных возрастных групп популяции сосны меловой;

- определить мультилокусную структуру отцовских гамет сосны крымской, сформировавших зародыши семян в ее популяции в разных высотных поясах Горного Крыма;

- провести сравнительный анализ генетической структуры зародышей и выяснить особенности системы скрещивания в выборках растений сосны крымской с высокой и низкой продуктивностью полных и пустых семян;

- оценить степень воспроизводства генетического разнообразия в семенном потомстве высотной и низинной популяций ели европейской в Украинских Карпатах;

- проанализировать систему скрещивания в популяциях сосны меловой, сосны обыкновенной, сосны крымской и ели европейской.

Объект исследования. Генетическая структура материнских деревьев и зародышей их семян в реликтовых популяциях сосны меловой и сосны обыкновенной, маргинальных популяциях сосны крымской и ели европейской в Украине.

Предмет исследования. Воспроизводство популяционных генофондов в семенном потомстве и доля перекрестного опыления в популяциях сосны меловой и сосны обыкновенной, маргинальных популяциях сосны крымской и ели европейской в Украине.

Методы исследования. Электрофоретическое разделение в полиакриламидном геле изоферментов 5 ферментных систем эндоспермов и зародышей семян сосны меловой, сосны обыкновенной, сосны крымской и в

крахмальном геле - 3 ферментных систем ели европейской. Статистические методы популяционной генетики.

Научная новизна полученных результатов. Впервые в Украине на основе данных аллозимной изменчивости проанализированы особенности поддержания генетической структуры материнских деревьев реликтовых популяций сосны меловой и сосны обыкновенной, маргинальных популяций сосны крымской и ели европейской в их семенном потомстве и установлен значительный дефицит гетерозиготных генотипов на ранней стадии онтогенеза. Распределения генотипов в выборках материнских растений в этих популяциях находятся в равновесном состоянии согласно закону Харди-Вайнберга, а в выборках зародышей их семян генотипическое равновесие смещено в сторону избытка гомозигот. В малочисленной реликтовой популяции сосны меловой установлено снижение уровня наблюдаемой гетерозиготности и возрастание частот предоминантных аллелей с возрастом деревьев. Впервые показано, что реликтовые популяции сосны меловой на меловых обнажениях бассейна р. Северский Донец в Донецкой области и сосны обыкновенной на дерново-карбонатных почвах Кременецкого холмогорья имеют близкий уровень генетической изменчивости и сходную генетическую структуру. Выяснено, что популяции сосны крымской в разновысотных поясах Горного Крыма нет четкой генетической дифференциации деревьев и их семенного потомства. Установлено, что семенная продуктивность сосны крымской зависит от гетерозиготности и степени перекрестного опыления материнских растений. Впервые исследована динамика ауткроссинга в популяциях сосны крымской и сосны меловой в разные годы.

Практическое значение полученных результатов. У сосны меловой и сосны крымской определены изоферментные локусы для оценки гетерозиготности семенного потомства конкретных растений. По этим локусам определены генотипы деревьев, зародыши семян которых имеют высокий уровень гетерозиготности, что позволит уменьшить долю

гомозиготных проростков при создании искусственных насаждений. Полученные сведения о системе скрещивания во всех изучаемых популяциях и ее связи с семенной продуктивностью, а также связи семенной продуктивности с генетической изменчивостью материнских растений (у сосны крымской) целесообразно учитывать в генетико-селекционной работе по сохранению и искусственному возобновлению ценных лесообразующих и хозяйственных пород хвойных.

Личный вклад автора. Диссертационная работа - самостоятельное завершенное исследование, выполненное автором в соответствии с программой экспериментальных исследований в период обучения в аспирантуре в 2002-2005 гг. Из коллективно опубликованных работ в диссертации использованы материалы, полученные автором самостоятельно. Права соавторов публикаций при написании диссертации и автореферата не нарушены. Формулирование заданий, анализ и интерпретация результатов проведены при участии научного руководителя - д.б.н., профессора И.И. Коршикова.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований апробированы на II конференции московского общества генетиков и селекционеров "Актуальные проблемы генетики" (г. Москва, 20-21 февраля

2003 г.); IV международной конференции "Промислова боташка: стан та перспективи розвитку" (г. Донецк, 17-19 сентября 2003 г.); конференции молодых ученых "Науков! основи збереження бютично!" р1зномаштностР' (г. Львов, 14-16 апреля 2004 г.); III международной школе-семинаре по экологии "Экология 2004: Эстафета поколений" (г. Пущино, 27-29 апреля

2004 г.); научно-практической конференции "Збереження бюргзномаштноста на швденному сход1 Украши" (г. Донецк, 14 сентября 2004 г.); международной научно-практической конференции "Фактори експериментально'1 еволюцп оргашзм1в" (г. Алушта, 21-23 сентября 2004 г); IX конференции молодых исследователей "Актуальш проблеми ф1зюлоп1, генетики та бютехнологп рослин I грунтових мшрооргашзм!в" (г. Киев, 24-25

февраля 2005 г.); международной научно-практической конференции "Сучасш проблеми ф1зюлоги та штродукцп рослин" (г. Днепропетровск, 5-6 апреля 2005 г.); международной школе-семинаре IPGRI по лесной генетике "Training Workshop on Forest Biodiversity" (г. Пушкино, 13-24 июня 2005 г.); Второй международной научной конференции "Вщновлення порушених природних екосистем" (г. Донецк, 6-8 сентября 2005 г.); международной научной конференции "Наука о лесе: история, современное состояние и перспективы развития" (г. Гомель, 20-24 октября 2005 г.); а также неоднократно на заседаниях отдела промышленной ботаники и ученого совета Донецкого ботанического сада HAH Украины.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 5 статей в периодических специальных изданиях Украины, входящих в перечень, утвержденный ВАК Украины.

РАЗДЕЛ 1

ЕСТЕСТВЕННАЯ ДИНАМИКА ПОПУЛЯЦИОННЫХ ГЕНОФОНДОВ

ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ

1.1. Природные популяции как самовозобновляющиеся адаптированные системы

Общепризнано определение, что популяция - это минимальная самовоспроизводящаяся совокупность особей одного вида, которая представляет собой структурный уровень организации жизни и элементарную единицу эволюции, отличающую�