Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Генетическая структура популяций родиолы иремельской (Rhodiola iremelica boriss.) на Южном Урале

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Генетическая структура популяций родиолы иремельской (Rhodiola iremelica boriss.) на Южном Урале"

На правах рукописи

БАЙРАМГУЛОВ НАИЛЬ РАФАИЛЕВИЧ

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦИЙ РОДИОЛЫ ИРЕМЕЛЬСКОЙ (RHODЮLA IREMELICA BORISS.) НА ЮЖНОМ УРАЛЕ

Специальность 03.00.15 - генетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Уфа - 2004

Работа выполнена в Сибайском институте (филиале) Башкирского государственного университета

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Доктор биологических наук, профессор Янбаев Юлай Аглямович

Доктор биологических наук, Путенихин Валерий Петрович

Кандидат биологических наук, Федоров Николай Иванович

Институт экологии растений и животных УрО РАН

Защита состоится «¿1 » декабря 2004 года на заседании Регионального диссертационного совета КМ 002.133.01 при Институте биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН по адресу: 450054, г. Уфа, проспект Октября, 69.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Уфимского научного центра РАН

Автореферат разослан

Ученый секрет; диссертационного совета

2004 года

д и д а т биологических наук, Гималов Фуат Рамазанович

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В последние десятилетия одной из глобальных проблем человечества стало сохранение биологического разнообразия на Земле. Все чаще внимание исследователей привлекает наиболее уязвимая часть биоразнообразия - редкие и исчезающие виды. В настоящее время доказано, что для сохранения редких и исчезающих видов важно предотвратить уменьшение их генетического разнообразия (Gregorius, 1989), определяющего потенциал для адаптации к постоянно меняющимся условиям окружающей среды. Другими словами, сохранение генофонда тесно связано с сохранением генетического разнообразия поцуляций (Мамаев и др., 1988). У каждого вида в течение многих поколений сложился определенный уровень изменчивости, игнорирование чего при организации охраны вида может привести к множеству отрицательных последствий (Алтухов, 1995). Особенно это справедливо для редких и исчезающих растений с их подверженностью к «генетической эрозии». Поэтому исследование генетического разнообразия и структуры изменчивости таких объектов актуально как с теоретической, так и с практической точек зрения.

Родиола иремельская Rhodiola iremelica Boriss., эндемичный вид Южного Урала, является удобным тест-объектом для экспериментального исследования и теоретического обобщения проблем сохранения генофонда редких и исчезающих видов растений. Он обитает в горной части региона и представлен рядом фрагментированных изолированных местообитаний, в разной степени затронутыми антропогенным вмешательством. Растение произрастает в различающихся экологических условиях, имеет разные объемы популяций (в большинстве случаев численность особей небольшая), возобновляется как вегетативным, так и семенным способом. Изучение этого растения имеет и прикладной аспект, так как по химическому составу оно близко к фармокопейному лекарственному виду R. roseaL. (Ишмуратова, 2001).

Цели и задачи исследования:

Цель исследований - изучение генетической структуры популяций ро-диолы иремельской на Южном Урале.

Задачи исследований:

1. Выявить уровень генетического разнообразия популяций родиолы иремельской с использованием изоферментных маркеров;

2. Исследовать межпопуляционные различия родиолы иремельской на Южном Урале и факторы, определяющие ее генетическую дифференциацию;

3. Охарактеризовать внутрипопуляционную структуру вида, ее динамику в пространстве и времени;

4. Предложить меры тю сохранению генофонда популяций родиолы иремельской на Южном Урале.

Научная новизна работы. Впервые для родиолы иремельской с использованием изоферментных маркеров изучена генетический структура популяций. Установлено, что вид в целом обладает высоким уровнем генетического разнообразия, для ее популяций характерны относительно высокая дифференциация, закономерная структурированность аллелей и растений с разными признаками в двумерном пространстве, различия по доле вегетативно размноженных растений. Показано, что нерегулируемая Заготовка сырья и уменьшение численности популяций приводят к существенному снижению генетического разнообразия и усилению субпопуляци-онной дифференциации

Практическая значимость работы. Полученные результаты работы могут быть использованы в качестве научного обоснования практических мер по сохранению родиолы иремельской Для сохранения генофонда популяций использование одних только методов in situ недостаточно Их необходимо дополнить мерами сохранения генофонда ex situ При создании искусственных популяций для последующей реинтродукции целесообразно объединять растения из близкорасположенных местообитаний и сходных условий произрастания. При этом существенно возрастает генетическое разнообразие, происходит оптимизация генетической, половой и возрастной структуры популяций. Предложены методические рекомендации для отбора образцов при создании искусственных популяций

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференции «Итоги биологических исследований» (Уфа, 2001); 5-ой Пущинской конференции молодых ученых (Пущино, апрель 2001 г.), десятой молодежной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, апрель 2003 г.), VII Всероссийской научно-практической конференции «Селекция и семеноводство сельскохозяйственных культур» (Пенза, 2003), научных конференциях Сибайского-института БГУ «Неделя науки» (Сибай, 2001; 2002, 2003, 2004)

Личное участие автора Работа выполнялась с 2000 года по 2004 гг. в рамках научно-исследовательской деятельности Сибайского института Башкирского государственного университета Автором лично проведены полевые и лабораторные исследования, анализ и обобщение результатов

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав к 21иВодс2, списка литературы, включающее 247 няимрнлвяний отечественных и зарубежных авторов и приложений. Основной текст изложен на 141 странице, включает 22 таблицы и 16 рисунков.

Проблемы изучения и сохранения генофонда редких и исчезающих видов

На основе того концептуального положения, что важнейшие характеристики популяций исторически сложились в ходе отбора и взаимодействии различных микроэволюционных и экологических факторов (Мамаев и др., 1994; Алтухов, 1995 и др.), показана особая необходимость популяци-онно-генетических исследований редких и исчезающих видов из-за их уязвимости вследствие небольшой численности, изолированности и фрагментарности популяций. Показана перспективность использования генетических и биохимических маркеров для изучения и сохранения генофонда этой категории видов, преимущества и недостатки разных типов маркеров и признаков (Семериков, 1981; Ouboгg et в1, 1999; Путенихин, 2000; Янбаев и др., 2000 и др.). Доказывается, что изучение проблем сохранения редких и исчезающих видов является научной базой для разработки и реализации практических мер по сохранению генофонда их популяций.

Проведен анализ литературных данных по биоэкологическим свойствам, морфологическим и хемотаксономическим исследованиям видов Rhodiola L, важных с точки зрения сохранения их генофондов (Горчаков-ский, 1966; Ревякина, 1973; Краснов и др., 1978; Запесочная, Куркин, 1982; Куркин и др., 1982; Положий и др., 1985; Нухимовский и др., 1987; Ишму-ратова, 2001; Фролов, Полетаева, 1998 и др.). Отсутствие популяционно-генетических данных по родиоле иремельской до сих пор не позволили эффективно использовать существующие подходы к сохранению биологического разнообразия растений (Мамаев и др., 1994) применительно к этому объекту.

Материалы, методы и объекты исследований

Исследования проводились на территории Южного Урала и западной части Челябинской области с координатами 51°ЗГ - 56°25' северной широты и 53°10' - 60°00' восточной долготы. Приводится описание природно-климатических условий региона исследований (Крашенинников, Куче-ровская-Рожанец, 1941; Горчаковский, 1953, Тахаев, 1959; Мукатанов, 1982; Горчаковский, 1988; и др.).

При выборе мест для закладки пробных площадей стремились к тому, чтобы были представлены разнородные условия местопроизрастания. Всего была заложена 21 пробная площадь (табл. 1.). После оконтуривания местообитания определяли (Нухимовский, 1974) примерную численность особей, возрастное состояние растений (проростки, ювенильные, вирги-нильные, генеративные, субсенильные и сенильные), принадлежность к

полу (функционально мужские, женские, обоеполые; вегетативные) Пробные площади (за исключением горного массива Иремель, где особи рассеяны на большой площади) повторяли конфигурацию местообитаний, обычно небольших. С каждого участка случайным образом отобраны от 32 до 132 растений (всего 576 образцов). В лабораторных условиях кусочки каудекса помещались в деревянные ящики с искусственно приготовленном субстратом, смесью песка и чернозема в соотношении 1:1. Для электрофо-ретических анализов использовались вегетативные побеги, выращенные в полутемном помещении при комнатной температуре и с использованием проточного полива. После электрофоретического анализа растения для последующей реинтродукции были высажены на территории агробиостан-ции Сибайского института БГУ.

Для экстракции ферментов использован экстрагирующий буфер 0.1 М трис-HCl, рН 8.0, содержащий 17 % сахарозы, 0.1 % 2-меркаптоэтанола. 0.05 % диэтилдитиокарбаната натрия. Навеску в 200 мг растирали в фарфоровой ступке с добавлением 1 мл охлажденного экстрагирующего буфера. Для связывания полифенолов перед этим добавляли около 200 мг нерастворимого поливинилпирролидона Polyclar AT. Далее гомогенат центрифугировали в течение 20 минут при 15-17 тыс. об/мин в холодильнике. Разделение изоферментов проводили методом диск-электрофореза в вертикальных пластинах 7.5 %-ного полиакриламидного геля с рН разделяющего геля 8.9 (Davis, 1964; Omstein, 1964) в трис-глициновом электродном буфере с рН 8.3. Гистохимическое выявление зон ферментативной активности после электрофореза проводили по стандартным методикам (Shaw, Prasad, 1970; Корочкин и др., 1977; Левитес, 1986, Гончаренко, Падутов, 1988) с некоторыми нашими модификациями.

В качестве генетических маркеров для определения уровня изменчивости родиолы иремельской использовали изоферменты аспартатами-нотрансферазы (ААТ, кодовый номер фермента 2.6.1.1), диафоразы (DIA, 1.6.4.3), глутаматдегидрогеназы (GDH, 1.4.1.2), алкоголдегидрогеназы (ADH, 1.1.1.1), 6-фосфоглюконатдегидрогеназы (6-PGD, 1.1.1.44), кислой фосфатазы (АРН, 3.1.3.2), лейцинаминопептидазы (LAP, 3 4.11.1) и алани-наминопептидазы (ААР, 3.4.11.2), малатдегидрогеназы (MDH, 1.1.1.37), малик-энзима (ME, 1.1.1.40) и неспецифических эстераз. При изучении генетической структуры популяций анализировали изменчивость восьми полиморфных локусов, аллозимы которых качественно разделялись без проведения особых лабораторных подходов: Aat-1, Aat-2, Aat-3, Mdh-1, Mdh-3, Dia-2, 6Pgd-l и Аар-1. Для обозначения ферментов нами использована одна из общепринятых номенклатур (Prakash et al., 1969) Гипотезы о генетическом контроле ферментов были выдвинуты на основе анализа

Таблица 1

Список пробных площадей и краткая характеристика местообитаний

№ Выборка Район Хребет Характеристика

1 1г1 Учалинский Ирандык В, 921 м над у.м.

2 1г2 Учалинский Ирандык В, 832 м над у.м.

3 1гМ1-1 Белорецкий Иремель А, 1449 м над у.м.

4 1гМ1-2 Белорецкий Иремель А, 1440 м над у.м.

5 1гМ2 Челябинская область Иремель А, 1183 м над у.м.

6 1гМЗ Учалинский Аваляк В, 992 м над у.м.

7 Url , Учалинский Уралтау В, 989 м над у.м.

8 Ur2-1' - Белорецкий Уралтау С, 1019 м над у.м.

9 Ur2-2 ■ Белорецкий Уралтау В, 1019 м над у.м.

10 Ur3 Белорецкий Уралтау В, 1068 м над у.м.

11 Krl Абзелиловский Крыкты В, 1008 м над у.м.

12 Kr2 - Абзелиловский ■ Крыкты В, 1080 м над у.м.

13 Kr3 Абзелиловский Крыкты В, 1108 м над у.м.

14 Kr4 Абзелиловский Крыкты В, 1087 м над у.м.

15 Kr5 Абзелиловский Крыкты С, 950 м над у.м.

16 Kr6 Абзелиловский Крыкты С, 959 м над у.м.

17 Kr7 Абзелиловский Крыкты С, 923 м над у.м.

18 Kr8 Абзелиловский Крыкты С, 1118 м над у.м.

19 Kr9 Абзелиловский Крыкты С, 992 м над у.м.

20 KrlO Абзелиловский Крыкты С, 897 м над у.м.

21 Krl Баймакский Ирандык В, 978 м над у.м.

Примечания: у.м. - уровень моря; А - высокогорные луга; В тенистые и влажные скалы северных экспозиций хребтов и горных вершин. С - горная лесостепь.

фенотипов ферментов, статистического тестирования различий выявленного соотношения генотипов и теоретически ожидаемых частот, а также по литературным данным.

Соответствие наблюдаемых распределений генотипов правилу Харди-Вайнберга проверялось двумя способами. Способ 1 выполнялся по стандартному х2 - критерию. В случае полиаллельных локусов и малых ожидаемых численностей применялся модифицированный G -тест (Животов-ский, 1991). При способе 2 использовался стандартный G-тест на гетерогенность с объединением генотипов в три класса: 1) гомозигота по основному аллелю, 2) гетерозигота по основному аллелю, 3) все другие генотипы. Эти же критерии и способы использовались при определении уровня различий выборок по частотам аллелей и генотипов.

При анализе уровня изменчивости использовались стандартные методы и наиболее популярные в популяционной генетике параметры: частота аллелей и генотипов, ожидаемая (Н,) и наблюдаемая (Н„) гетерозиготность, индекс фиксации Райта F (коэффициент инбридинга), число генотипов, среднее число аллелей на локус А и доля полиморфных локусов (в том числе с введением критериев полиморфности). Эти параметры, генетическое расстояние Нея D, а также показатели F-статистики Райта F1S, F„ и Fst (Wright, 1969) вычисляли с использованием компьютерной программы BIOSYS-1 (Swofford, Selander, 1981). Стандартные статистические анализы выполнены при помощи программы "STATISTICA 6.0" (версия 6.0.), а также MS EXCEL. Для автокорреляционного анализа использована компьютерная программа Spatial Genetic Software SGS (Visual Basic V. 5.0). Статистическая оценка степени структурированности генетической изменчивости оценивалась по генетическому расстоянию Грегориуса d (Gregorius, 1974) и индекса Морана I (Sokal, Wartenberg, 1983) с помощью теста для определения отклонения фактического пространственного распределения генотипов от их случайного размещения. Все параметры вычислялись для различных классов дистанций. При помощи автокорреляционного анализа исследовалось также распределение в двумерном пространстве некоторых признаков растений (пол, возраст, размер).

Описание изменчивости ферментов родиолы иремельской

В главе приводится характеристика механизмов наследования использованных в данной" работе ферментных систем родиолы иремельской. Полностью мономорфными были 2 фермента -глутаматдегидрогеназа и алкогольдегидрогеназа (локусы Gdh-1 и Adh-1), каждая из которых выявлялась в виде одной зоны активности. На рис. 1. приведены все обнаруженные варианты генотипов изменчивых изоферментных систем: для Aat-1 (локус обозначен номером 1), Aat-2 (2), Aat-3 (3), Dia-1 (4), Dia-5 (5), 6Pgdh-l (6), Aap-1 (7), Mdh-1 (8), Mdh-2 (9), Est-1 (10), Me-1 (11), Aph-2 и Aph-4. Над спектрами обозначены генотипы, под ними - средние частоты в процентах. Таким образом, из изученных локусов электрофоретические варианты не обнаружены для Gdh-1, Adh-1, Aph-1, Aph-2, Aph-5, Dia-3, Dia-4. Два локуса (Dia-5 и Aph-4) отнесены к категории слабополиморфных. Диаллельным геном Mdh-З контролируется третья зона активности малатдегидрогеназы. У другого локуса этого фермента Mdh-1, у Ме-1 (кодирует малик-энзим) и у Aph-З (зона 3 кислой фосфатазы) выявлены по три аллеля. Остальные локусы относятся к категории высокополиморфных. В трех локусах обнаружены по 4 аллеля

11 12 23 34 14 44 24 22 0.2 0.2 0.2 0.2 0.7 17.2 32.5 49.0 (1)

14 34 45 22 24 44 ~Ô2~ 0.5 0.7 2.9 22.9 72.9 (2)

23 34 11 13 33 0.4 0 4 7.3 20.9 71.1 (3)

34 11 14 55 25 45 22 24 44 0.2 0.4 1.1 1.7 2.0 9.2 101 18.9 56 4 (4)

12 22 1.6 98.4 (5)

14 44 55 23 И 34 35 13 33 0.2 0.4 0.4 0.7 1.1 2.3 5.4 15.7 73.9 (6)

14 23 25 34 55 22 45 24 44 0 4 0.4 0.4 0.5 0.5 4.5 6.1 25.5 61.8 ' 1 (7) 1

33 11 23 12 22 0 2 Тз~ 3.6 ТбУ 76.3 (8)

22 12 11 5.6 24.6 70.2 (9)

12 13 34 11 33 6.2 12.5 12.5 31.2 37.5 (Ю) j

33 12 11 2.1 6.2 91.7

23 12 22 6 2 25 0 68 8 i (12) j

12 22 6 2 93.8 Í13) 1 i

Рис. 1. Схематическая электрофореграмма изоферментов родиолы ире-мельской

(Aat-1, Aat-3, Est-1), в четырех локусах - по пять аллелей (Aat-2, Dia-1, 6Pgdh-l,Aap-l).

Уровень генетической изменчивости родиолы иремельской

Установлено, родиола иремельская как вид обладает большим запасом генетической изменчивости, по сравнению с другими эндемиками (Hamrick, Godt, 1989). Доля полиморфных локусов составила по 1 %-ному критерию 65.0 %. Введение 5 %-ного лимита полиморфности снизило величину параметра несущественно (до Р = 0.55). В среднем на локус выявлено 2.7 ± 0.4 и на один полиморфный локус - 4.2 аллеля. В то же время необходимо учесть, что большая часть аллелей относятся к категории редких и в большинстве полиморфных локусов доминирует один аллель. Лишь два изменчивых локуса имеют сопоставимую встречаемость основных электрофоретических вариантов (Est-1, 0.406 : 0.500; Aat-1, 0.654 : 0.339). Распределение частот аллелей описывается ^образной кривой, т.е. преобладают частоты, близкие к нулю или к 100 %. По характеру кривая близка к распределению, наблюдаемому теоретически в малых популяциях под действием дрейфа генов. Ожидаемая гетерозиготность составила значение 0.183 ± 0.042, наблюдаемая Н„ - 0.145 ± 0.031. В целом, для объединенной выборки выявлена положительная величина коэффициента инбридинга или индекса фиксации Райта ^ = + 0.208). Об этом же свидетельствуют коэффициенты инбридинга особей относительно популяции и вида в целом, вычисленные с использованием F-статистики Райта (Рв = + 0.059 и Рц = + 0.167). Несмотря на общее высокое генетическое разнообразие родиолы иремельской, каждая отдельная популяция обладает значительно меньшим уровнем гетерозиготности и аллельного разнообразия. Возможно, в целом высокий уровень генетической изменчивости вида представляет собой феномен «прошлого», когда родиола иремельская обладала обширными нефрагментированными популяциями с большим ал-лельным разнообразием.

Межпопуляционная дифференциация родиолы иремельской

Во всех изученных выборках в 8 полиморфных локусах нами обнаружено 34 аллеля. Различия в аллельном составе касаются не только относительно редких вариантов, как это характерно для популяций других перекрестноопыляющихся растений (Hamrick, Godt, 1989). Вследствие этого гетерогенность аллельных частот при его вычислении для всех выборок статистически высоко достоверна (Р < 0 001) Статистически значимые

различия частот выявлены и в большинстве попарных сравнений

Анализ изменения частот аллелей и генотипов по градиентам экологических условий или трендам «север-юг» и «высота над уровнем

моря» не позволил выявить какие-либо закономерности. Об этом же свидетельствуют данные по генетической подразделенности пар выборок в зависимости от расстояния между ними (рис. 2) и построенная на основе генетических дистанций D дендрограмма (рис. 3), на которой расположение выборок носит «хаотичный» характер. Возможно, обнаруженные различия обусловлены статистическими причинами из-за разной и в большинстве случаев малой численности особей в местообитаниях. По этим же причинам, видимо, правило Харди-Вайнберга нарушалось в 14 из 21 изученных выборок. В большинстве выборок (в 18 из 21) наблюдаются положительные значения коэффициента инбридинга (или индекса фиксации Райта) и лишь в 3 выборках величина F < 0.

Как и частота аллелей, уровни генетического разнообразия в популяциях значительно различаются. Среднее число аллелей на локус по 8 полиморфным генам изменяется от 2 0 до 3.0, полиморфизм - от 75 до 100 %, средняя гетерозиготность - от 0.167 до 0.371, ожидаемая гетерозиготность - от 0.155 до 0.457. При анализе гетерозиготности выборок по отдельным локусам выявлялся еще больший уровень их различий.

Анализ подразделенности выборок показал, что по 8 полиморфным локусам в среднем 88.5 % всей изменчивости относится к внутривыборочной и 11.5 % - к межвыборочной (с изменениями по отдельным локусам от = 0.035 ДО — 0.214). Этот уровень выше, чем межпопуляционная дифференциация большинства видов растений, но ниже, чем у эндемиков (Hamrick, Godt, 1989).

Рис. 2. Гео1 рафйчс^яие расстояния выборок родиолы иремельской

значения Б,! между папами

Генетическое расстояние (Ке1 (1972))"

Рис. 3. Дендрограмма, построенная на основании генетических расстояний между выборками родиолы иремельской

Оценка величины генетической подразделенности групп выборок различных иерархических уровней (внутри местообитания, между предполагаемыми субпопуляциями одного хребта, между по пуляциями различных хребтов) показала существование определенных закономерностей. Близкорасположенные выборки в пределах отдельных местообитаний (на хребтах Уралтау, Ирендык и горном массиве Иремель) дифференцированы на относительно небольшом уровне - Р„( = 0.033 — 0.034, Б = 0.023 — 0 029. На более высоких уровнях группирования выборок генетическая подраз-деленность намного выше. Так, для групп близлежащих местообитаний Fst = 0.056 - 0.067, D = 0.030 - 0.047, а при сравнении популяций из разных хребтов дифференциация находится уже на уровне 0.030-0.047.

Полученные нами данные об отсутствии выраженных географических или экологических закономерностей в пространственном распределении изменчивости полтвержлаются также при анализе половой и возрастной структуры популяций. Соотношение функционально мужских, собственно женских и обоеполых растений составило в среднем 32.5% (с изменениями по выборкам от 0 до 59.3) : 64.6% (40,7 - 86,4) : 2.9% (0 - 16.7). Числен-

ность имматурных растений в среднем составила 20 7% (с изменениями от 2 0 до 59 1), виргинильных - 30 5% (12 5—>53Л), генеративных - 34 0% (8,6 - 80 0), субсенильных - 15 0% (3 1 - 54 5) и сенильных - 16 3% (2 558 1) В близких экологических условиях, но в разных популяциях и субпопуляциях обнаруживается контрастная половая и возрастная структуры И наоборот, часто эти структуры были близкими у групп растений из удаленных друг от друга местообитаний

Причиной выявленной относительно высокой межпопуляционной дифференциации может служить малочисленность растений в местообитаниях, включающих иногда всего несколько десятков генеративных особей В этих условиях дрейф генов может быть ведущим микроэволюционным фактором формирования генетической структуры популяций родиолы иремельской

Внутрипопуляционная структура родиолы иремельской

Вегетативное размножение не имеет существенного значения при формировании генотипической структуры изученных популяций При изучении многолокусных генотипов выявлена генетическая уникальность большинства особей - в 15 выборках индивидуальные генетические портреты имеют более 80 % растений (рис 4} При помощи автокорреляционного анализа на примере выборки Ur1 определены закономерности пространственного распределения особей различного пола, возраста и размера (через параметр «число побегов») в пределах местообитания На рис 5 показано, что значения индекса Морана закономерно и статистически достоверно меняются от положительного до отрицательного значений по всем Трем параметрам В целом, они выходят за пределы 95%-ного доверительного интервала непосредственно вблизи «материнского растения» и на больших классах дистанций

С целью выяснения причин этого явления нами на фрагменте данного местообитания были определены по изоферментным локусам генотипы растений и проведен автокорреляционный анализ По аллозимам только одного из локусов распределение генотипов в двумерном пространстве носило полностью случайный характер (Aat-1) Как и в случае с количественными признаками, по остальным 7 полиморфным локусам в целом вы является положительная корреляция В локусе 6Pgd-l (рис 6) она наблюдается лишь на небольшом расстоянии 0-6 м Наиболее четкое линейное уменьшение значений индекса Морана выявлено по локусу Аар-1 от класса дистанции 2-4 м до 10-12 м В некоторых Случаях (локус Dia 1) снижение BSiii'ii'i'L1 ¡'«де"са Моряня нлгит двухвершинный характер - оно статистически значимо снижается в интервале 0-6 м и на дистанциях свыше 12 м В остальных локусах (Aat-2, Aat-3) статистически достоверное

60,0 40,0 20,0

и 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Выборки

Рис. 4. Доля уникальных генотипов (незакрашенная область колонок) в выборках родиолы иремельской.

линейное уменьшение значения индекса Морана выявляется уже на дистанциях 14-20 м.

Таким образом, по генетическим данным и количественным признакам подтверждается один и тот же феномен - с увеличением расстояния от «гипотетической особи» закономерно изменяются (в большинстве случаев статистически достоверно) параметры растений. Причинами могут быть влияние вегетативного размножения «материнских» особей и куртинный характер расположения родиолы иремельской в пределах местообитаний, обусловленный небольшим радиусом разброса семян и мозаичностью распределения пригодных для произрастания участков.

Нами повторно изучена субпопуляционная подразделенность местообитания родиолы иремельской на горном массиве Иремель. Она ранее была определена Янбаевым Ю.А. в 1990 г. (Байрамгулов, Янбаев, 2001) и с того периода популяция подверглась сильному антропогенному воздействию (хищническая заготовка корневищ, в результате чего сильно сократилась численность растений). Методика исследования, набор локусов и выборки (за исключением приручьевой субпопуляции, которая в настоящее время практически прекратила существование) полностью совпадали. Обращает на себя исчезновение части аллелей, ранее выявленных в субпопуляциях. К их числу относятся и редкие (аллели 1, 3, 5 у Aat-1; 2 - у Aat-2) и являющиеся прежде общими (I - Aat-З). Частоты аллелеи, выявленных в 2002 г, более близки к 1 или к нулю, чем при исследовании 1990 г. Такие же изменения коснулись и остальных использованных нами популяцион-

— число побегов,......возраст, — — - пол

Рис 5 Коррелограмма изменения индекса Морана на разных дистанциях для морфологических признаков растений

■ - Область 95 % - ного доверительного интервала

Рис 6 Коррелограмма изменения индекса Морана I на разных дистанциях

ных параметров, если рассмотреть их во временном аспекте для всей ире-мельской популяции (Рис 7) Среднее число аллелей на локус уменьшилось сА = 3 33 до А = 20 По всем локусам снизились значения ожидае-

мой и наблюдаемой гетерозиготности (в среднем от 0.257 до 0.182 и от 0 288 до 0 221 для Н„ и Не, соответственно). Величина межпопуляционной подразделенности р5, возросла от 0 033 до 0.073, генетическое расстояние Нея D увеличилось с 0.010 до 0.033. Средний для локусов коэффициент инбридинга F изменился с 0.108 до 0.176. Если в начале 90-х годов в популяции наблюдаемые и теоретически ожидаемые частоты генотипов совпадали, то в настоящем исследовании выявлено нарушение правила Харди-Вайиберга. В локусе АаМ для выборки 1гМ1-2 обнаружены статистически значимое отклонение (вычисленный вызванное дефи-

цитом генотипов с аллелем 4. Причиной таких изменений может быть резкое уменьшение популяционной плотности и численности субпопуляций за анализируемый период в результате хищнических заготовок сырья растения на горном массиве Иремель. В результате численность растений сильно сократилась, а некоторые субпопуляции (как указанная выше 1гМЗ) исчезли практически полностью.

Рис. 7. Динамика во времени популяционно-генетических параметров

Сохранение генофонда популяций родиолы иремельской

Родиола иремельская, эндемик Южного Урала, когда-то состоявшая из относительно больших популяций и характеризовавшаяся высоким потоком генов между ними, в конце плейстоцена (Горчаковский, 1966; Панова, 1981) была вытеснена на вершины отдельных горных хребтов и вершин и ныне представлена небольшим числом изолированных популяции и субпопуляций с крайне небольшой эффективной численностью. Численность популяций продолжает сокращаться. Наблюдается дальнейшая фрагмента-

ция и уменьшение площади ареала под влиянием как природных, так и антропогенных факторов. Это приводит, как показано нами, к изменениям половой, возрастной и генетической структур, а также высокой генетической подразделенности популяций и различиям в уровне генетического разнообразия.

Полученные результаты позволили предложить меры по сохранению генофонда популяций родиолы иремельской на Южном Урале. Существует необходимость поливекторной защиты родиолы иремельской - сочетание сохранения генофонда как в природных условиях in situ (в существующих и создаваемых особо охраняемых природных территориях, а также вне этих территорий за счет законодательного регулирования), так методами ex situ. Интенсивная заготовка сырья и угроза уничтожения некоторых местонахождений также доказывает, что одних методов сохранения in situ недостаточно. Более того, по нашему мнению, вторая группа мер должен обладать определенным приоритетом, так как относительно высокая генетическая подразделенность популяций вызвана преимущественно естественными (уменьшение эффективной численности) причинами. Для большинства популяций проблема, обострена настолько, что деградацию можно охарактеризовать как приближающуюся к рубежу, за которым ро-диола иремельская во многих местообитаниях может исчезнуть или, как минимум, будет неспособна восстановиться самостоятельно. Рекомендуемые нами меры ex situ предполагают создание в условиях культуры «синтетических» популяций сравнительно большого объема и последующую их реинтродукцию в природные местообитания. Полученные нами данные о довольно высоких различиях в генетической структуре популяций ро-диолы иремельской и то, что они приурочены к различным экологическим условиям, обуславливают необходимость включения в искусственную популяцию для ее реинтродукции максимального числа выборок.

Нами были промоделированы несколько вариантов создания синтетических популяций в разных комбинациях генотипов. При создании групп из близких экологических условий дифференциация в пределах групп выражена сильно. При создании одной синтетической популяции, включающей все изученные выборки, достигается наибольшее генетическое разнообразие - среднее число аллелей на локус А = 4.1. Однако при этом резко увеличивается отклонение распределения генотипов от правила Харди-Вайнберга. Таких отклонений намного меньше, если «синтетические» популяции создавать на основе географической близости местообитаний и приуроченности к одним и тем же хребтам и горным массивам (табл. 2). При этом их генофонды относительно близки (см. значения коэффициентов Fst), кроме группы географически разобщенных выборок Крыкты 1.

Таблица 2

Генетические параметры групп популяций родиолы иремельской, объединенных по приуроченности к одним и тем же хребтам

Группы А Н„ н. F„ 0.05 0.01 0.001

Иремельская 2.9 0.275 0.313 0.056 2 - -

Ирендык (У чалы) 2.8 0.240 0.260 0.035 - - -

Уралтау 3.3 0.297 0.350 0.095 1 - 2

Крыкты1 2.9 0.226 0.286 0.130 - - 2

Крыкты2 3.3 0.289 0.305 0.055 - 1 -

Примечание: в трех последних колонках отмечены случаи отклонения наблюдаемых и ожидаемых по правилу Харди-Вайнберга частот генотипов на уровнях значимости Р < 0 05,0 01 и 0 001.

При этом существенно возрастает генетическое разнообразие, меньше риска нарушения их генетической структуры; наблюдается большее соответствие наблюдаемых распределений генотипов ожидаемым по правилу Харди-Вайнберга частотам. Одновременно достигается большая оптимизация половой и возрастной структуры.

Кроме того, полученные нами данные о существовании закономерной пространственной структурированности генотипов в пределах местообитаний (а также растений с разными морфологическими признаками), выявленные закономерности по доле вегетативно размноженных особей позволяют предложить некоторые методические рекомендации для отбора образцов при сохранении генофонда методами ex situ. Расстояние между отбираемыми особями должно быть не менее 20-30 м. При этом есть большая вероятность отбора генетически уникальных особей для создания синтетических популяций.

Выводы

1. Установлен относительно высокий уровень генетического разнообразия родиолы иремельской. Среднее число аллелей на один локус 2.7 ± 0.4, доля полиморфных локусов по 1 %-ному критерию 55 %, наблюдаемая и ожидаемая гетерозиготность 0.183+0.042 и 0.145+0.031, соответственно. Величина параметров генетической изменчивости по отдельным популяциям изменяется в значительной степени.

2. Межпопуляционная подраздсленность родиолы иремельской составила Географические закономерности в пространственном распределении генетической изменчивости и влияние экологических условий

на генетическую структуру популяций выражены слабо. Дифференциация близкорасположенных выборок в целом выражена меньше, чем у популяций из разных горных хребтов.

3. Существует закономернее распределение в двумерном' пространстве аллелей, особей разного возраста, размера и полового типа в пределах местообитаний. По разным популяциям 64.3 - 100 % (в среднем 86.4) особей имеют уникальные многолокусные генотипы. Уменьшение численности растений в пбпуляциях из-за нерегулируемых заготовок приводит к существенному снижению Генетического разнообразия, усилению субпопуля-ционной дифференциации.

4. Разработаны принципы сохранения генофонда популяций родиолы иремельской ex situ, основанные на создании искусственных популяций для последующей реинтродукции в природные местообитания. Для этого целесообразно объединять растения из близкорасположенных местообитаний и сходных экологических условий произрастания. При этом существенно возрастает генетическое разнообразие, произойдет оптимизация генетической, половой и возрастной структуры.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Байрамгулов Н.Р., Киньябулатов С.С., Татлыбаев А.А., Ишмуратова М.М. Состояние ценопопуляций Rhodiola hemelica Boriss. на Южном Урале // Итоги биологических исследований - Уфа, 2001. - Вып.6. - С. 100-102.

2. Байрамгулов Н.Р., Киньябулатов С.С. Возрастная и половая структура ценопопуляций Rhodiola iremelica Boriss на Южном Урале // Биология -наука 21-го века. Материалы 5-ой Пущинской конференции молодых ученых (16-20 апреля 2001 г.). - Пущино, 2001. - С.198-199.

3. Байрамгулов Н.Р., Ишмуратова ММ Изменчивость семенной продуктивности ценопопуляций Rhodiola hemelica Boriss. на Южном Урале // Неделя науки: Материалы научной конференции Сибайского института БГУ (14-18 мая 2001 г.) / Издание Сибайского института Башкирского госуниверситета. - Сибай, 2001. - С 22-23.

4. Байрамгулов Н.Р., Янбаев Ю А. Генетическая изменчивость и субпо-пуляционная дифференциация Rhodiola hemelica Boriss. // Неделя науки-Материалы научной конференции Сибайского института БГУ (14-18 мая 2001 г.) / Издание Сибайского института Башкирского госуниверситета. -Сибай, 2001.-С.24-25.

5. Байрамгулов Н Р. Пространственное размещение особей разного пола в популяции родиолы иремельской // Актуальные проблемы биологии и экологии Материалы иоклалов молодежной конференции (Сыктывкар, 1517 апреля 2003 г.) - Сыктывкар, 2003. - С. 19-21.

6. Байрамгулов Н.Р., Янбаев Ю.А., Редькина Н.Н. Исследование популяций лекарственных растений как необходимый этап их внедрения в

культуру // Селекция и семеноводство сельскохозяйственных культур: Сборник материалов VII Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза, 2003. - С.132-135.

7. Байрамгулов Н.Р., Янбаев Ю.А. Внутрипопуляционная дифференциация родиолы иремельской // Сборник научных трудов аспирантов и молодых преподавателей / Под. ред. А.М.Хусаиновой. - Сибай: Изд-е Сибай-ского института БашГУ, 2003. - С.40-43.

8. Янбаев Ю.А., Байрамгулов Н.Р. Пространственная структурированность количественных и качественных признаков родиолы иремельской // Труды Сибайского института Башкирского государственного университета: Сборник статей. 4.2 /Изд-е Сибайского института БашГУ. - Сибай, 2003.-С.107-109.

9. Байрамгулов Н.Р., Янбаев Ю.А. Соотношение семенного и вегетативного возобновления у родиолы иремельской // Научные доклады конференции «Неделя науки - 2003» Сибайского института Башкирского государственного университета. 4.1 / Изд-е Сибайского института БашГУ. -Сибай, 2004. - С.29-30.

Байрамгулов Наиль Рафаилевич

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦИЙ РОДИОЛЫ ИРЕМЕЛЬСКОЙ (RHODIOLA IREMELICA BORISS.) НА ЮЖНОМ УРАЛЕ

Специальность 03.00.15 - генетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Сдано в редакцию 17.11.2004. Подписано в печать 18.11.2004. Формат 60x84 1/16. Бумага типографская № 1. Гарнитура Times. Компьютерный набор. Отпечатано на ризографе. Усл.печ.л. 1,0. Уч.-изд.л. 1,3- Тираж 120 экз. Заказ № 690.

Редакционно-издательский цетр Башкирского государственного университета Печатно-множительныйучасток Сибайского института БашГУ 453833, РБ, г. Сибай, ул. Маяковского, 5. Тел.3-53-26.

«23 24 5

Введение Диссертация по биологии, на тему "Генетическая структура популяций родиолы иремельской (Rhodiola iremelica boriss.) на Южном Урале"

Актуальность работы. В последние десятилетия одной из глобальных проблем человечества стало сохранение биологического разнообразия на Земле. Этой проблеме были посвящены такие форумы, как конференция ООН по проблемам окружающей среды (Бразилия, 1992), конференцию ФАО по растительным генетическим ресурсам (Германия, 1996), мировое научное сообщество рассматривает ее в качестве самых приоритетных (Дрейер, Лось, 1997). Все чаще внимание исследователей привлекают наиболее уязвимая часть биоразнообразия - редкие и исчезающие виды (1ЛЧЕР, 1992)

В настоящее время очевидным является утверждение, что для сохранения редких и исчезающих видов важно предотвратить уменьшение генетического разнообразия (О^огшэ, 1989). При этом считается, что чем выше разнообразие, тем больше шансов для выживания в постоянно меняющихся условиях окружающей среды. Другими словами, сохранение генофонда тесно связано с сохранением генетического разнообразия популяций (Мамаев и др., 1988, 1994), определяющим потенциал для адаптации и эволюции. При этом нужно исходить из того, что у каждого вида в течение многих поколений сложилась определенная генетическая подразделенность популяций и структура внутривидовой изменчивости, игнорирование чего может привести к множеству отрицательных последствий (Алтухов, 1995). Генетическое разнообразие представлено на индивидуальном, субпопуляционном, популяционном и метапопуляционном уровнях и каждый из них играет свою роль при сохранении генофонда, что особенно справедливо для редких и исчезающих растений с их подверженностью к риску «генетической эрозии». Поэтому исследование генетического разнообразия и структуры изменчивости таких объектов актуально как с теоретической, так и с практической точек зрения.

Родиола иремельская ЮюсИо1а /гетеИса Вопбб. является удобным тест-объектом для экспериментального исследования и вклада в теоретическое обобщение проблем сохранения генофонда редких и исчезающих видов растений. Это эндемичный на Южном Урале и ранее не изученный с популяционно-генетической точки зрения вид, находящийся под охраной Красной книги Башкортостана. Он обитает в горной части Республики и представлен фрагментированными изолированными местообитаниями, в разной степени затронутых антропогенным вмешательством. Растение произрастает в различающейся экологической амплитуде, имеет разные объемы популяций (в большинстве случаев численность особей небольшая), возобновляется как вегетативным, так и семенным способом. Изучение этого растения имеет и чисто прикладной аспект, так как по химическому составу оно близко к фармокопейному лекарственному виду Я.гозеа Ь. (Ишмуратова, 2001).

Цели и задачи исследования;

Цель исследований - изучение генетической структуры родиолы иремельской на Южном Урале.

Задачи исследований:

1) Выявить уровень генетического разнообразия популяций родиолы иремельской с использованием изоферментных маркеров;

2) Исследовать межпопуляционные различия популяций родиолы иремельской на Южном Урале и факторы, определяющие ее генетическую дифференциацию;

3) Охарактеризовать внутрипопуляционную структуру вида, ее динамику в пространстве и во времени;

4) Предложить меры по сохранению генофонда популяций родиолы иремельской на Южном Урале.

Научная новизна работы. Впервые для семейства СгаБзШасеае изучена изменчивость ферментных систем и предложены генетические маркеры для оценки изменчивости вида. Популяции родиолы иремельской обладают высоким уровнем генетического разнообразия, что потенциально позволяет виду успешно адаптироваться в природных условиях, при интродукции и реинтродукции в природные местообитания. Изучены особенности генетической структуры родиолы иремельской. Установлено, что для популяций вида характерна высокая межпопуляционная дифференциация, на генетическую структуру популяций оказывает сильное влияние дрейф генов.

Практическая значимость работы. Полученные результаты работы могут быть использованы в качестве научного обоснования практических мер по сохранению как родиолы иремельской, так и других эндемичных редких и исчезающих видов растений. Для сохранения генофонда популяций использование одних только методов in situ недостаточно. Их необходимо дополнить мерами сохранения генофонда ex situ. При создании искусственных популяций для последующей реинтродукции целесообразно объединять растения из близкорасположенных местообитаний и сходных условий произрастания. При этом существенно возрастает генетическое разнообразие, происходит оптимизация генетической, половой и возрастной структуры популяций. Предложены методические рекомендации для отбора образцов при создании искусственных популяций.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на конференции «Итоги биологических исследований» (Уфа, 2001); 5-ой Пущинской конференции молодых ученых (Пущино, апрель 2001 г.); Десятой молодежной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, апрель 2003 г.); VII Всероссийской научно-практической конференции «Селекция и семеноводство сельскохозяйственных культур» (Пенза, 2003); научных конференциях Сибайского института БГУ «Неделя науки» (Сибай, 2001; 2002; 2003; 2004).

Личное участие автора. Работа выполнялась с 2000 года по 2004 гг. в рамках научно-исследовательской деятельности Сибайского института Башкирского государственного университета. Автором лично проведены полевые и лабораторные исследования, анализ и обобщение результатов.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов, списка литературы, включающего 247 наименований отечественных и зарубежных авторов и приложений. Основной текст изложен на 141 страницах, включает 22 таблиц и 16 рисунков.

Заключение Диссертация по теме "Генетика", Байрамгулов, Наиль Рафаилевич

117 ВЫВОДЫ

1. Установлен относительно высокий уровень генетического разнообразия родиолы иремельской. Среднее число аллелей на один локус 2.7 ± 0.4, доля полиморфных локусов по 1 %-ному критерию 55 %, наблюдаемая и ожидаемая гетерозиготность 0.183±0.042 и 0.145±0.031, соответственно. Величина параметров генетической изменчивости по отдельным популяциям изменяется в значительной степени.

2. Межпопуляционная подразделенность родиолы иремельской составила Fst = 0.115. Географические закономерности в пространственном распределении генетической изменчивости и влияние экологических условий на генетическую структуру популяций выражены слабо. Дифференциация близкорасположенных выборок в целом выражена меньше, чем у популяций из разных горных хребтов.

3. Существует закономерное распределение в двумерном пространстве аллелей, особей разного возраста, размера и полового типа в пределах местообитаний. По разным популяциям 64.3 - 100 % (в среднем 86.4) особей имеют уникальные многолокусные генотипы. Уменьшение численности растений в популяциях из-за нерегулируемых заготовок приводит к существенному снижению генетического разнообразия, усилению субпопуляционной дифференциации.

4. Разработаны принципы сохранения генофонда популяций родиолы иремельской ex situ, основанные на создании искусственных популяций для последующей реинтродукции в природные местообитания. Для этого целесообразно объединять растения из близкорасположенных местообитаний и сходных экологических условий произрастания. При этом существенно возрастает генетическое разнообразие, произойдет оптимизация генетической, половой и возрастной структуры.

118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение состояния вопроса по исследованной теме показало -существуют относительно единое мнение о том, что основополагающие характеристики популяций (плотность, численность, продуктивность, воспроизводство, структура, изменчивость, подразделенность и др.) исторически сложились в ходе отбора и взаимодействии различных микроэволюционных и экологических факторов. Особенно важен учет этого концептуального положения при исследовании и сохранении редких и исчезающих видов, так как именно в этой категории организмов происходят значительные, зачастую необратимые, изменения генофонда популяций. К тому же генетика популяций редких и исчезающих видов имеет свои особенности, по сравнению с распространенными видами (например, особая подверженность к генетической «эрозии»). К сожалению, для этой категории видов наиболее важные популяционные параметры не исследованы или изучены недостаточно. Соответственно, это приводит к тому, что меры по сохранению их генофонда часто разрабатываются без необходимого научного обоснования. Такое положение обусловлено многими методологическими (противоречивость как в теории сохранения редких и исчезающих видов, так и в подходах к сохранению генофонда способами ех situ и in situ) и методическими причинами.

В Главе 1 показана особая необходимость популяционно-генетических исследований редких и исчезающих растений из-за их увеличенной уязвимости вследствие небольшой численности, изолированности и фрагментарности их популяций. Установлено, что существуют обширные исследования биоэкологических свойств, детальное описание морфологических характеристик и методов хемотаксономической идентификации растений Rhodiola L., которые могут быть полезными для решения проблем сохранения генофонда популяций растений этого рода. Однако спорность таксономических взаимоотношений в пределах Rhodiola

L., отсутствие собственно генетических данных до сих пор не позволили эффективно использовать существующие популяционные подходы к сохранению биологического разнообразия редких и исчезающих растений применительно как к объекту наших исследований, так и других видов данного рода.

Важное значение при изучении и разработке проблем сохранения генофонда популяций редких и исчезающих видов растений имеет выбор удобных мишенных объектов. К их числу, несомненно, относится и родиола иремельская. Это эндемичный на Южном Урале и ранее не изученный с популяционно-генетической точки зрения вид, находящийся под охраной Красной книги Башкортостана. Он обитает в горной части Республики и представлен фрагментированными изолированными местообитаниями, в разной степени затронутыми антропогенным вмешательством. Растение обитает в различающейся экологической амплитуде, имеет разные объемы популяций (в большинстве случаев численность особей небольшая), возобновляется как вегетативным, так и семенным способом. Популяционно-генетическое изучение этого растения имеет и чисто прикладной аспект, так как по химическому составу оно близко к фармокопейному лекарственному виду R. rosea L.

Для решения поставленных в работе задач использованы изоферментные маркеры, обладающие, как показано в Главе 2, рядом преимуществ. Они находятся под моногенным контролем, экспрессируются кодоминантно. Кроме того, из-за относительной простоты лабораторного анализа, высокой производительности электрофореза ферментов и относительной дешевизны метода он хорошо походит для массового популяционного анализа. Изоферменты позволяют вычислять без проведения контролируемых скрещиваний такие генетические параметры, как доля полиморфных генов и их гетерозиготность, число и частота аллелей в популяциях, использовать разработанные в теоретической генетике методы изучения популяций.

Установлено, что родиола иремельская в целом обладает высоким генетическим разнообразием, что обуславливает большую потенциальную возможность к адаптации к меняющимся условиям среды. Доля полиморфных локусов составила по 1 %-ному критерию и без его использования одинаковые значения Р = 0.65. Введение 5 %-ного лимита полиморфности лишь несколько снизило величину параметра (до Р = 0.55) -и в этом случае более половины локусов вида оказались полиморфными. В среднем на локус выявлено 2.7 ± 0.4 и на один полиморфный локус - 4.2 аллеля. Генетическое разнообразие этого вида больше, по сравнению с большинством других видов растений, имеющих близкие биоэкологические свойства. Большая часть аллелей относятся к категории редких - в полиморфных локусах, как правило, доминирует один аллель. Распространение частот аллелей описывается и-образной кривой, т.е. преобладают частоты, близкие к нулю или к 100 %. По характеру кривая близка к распределению, наблюдаемых теоретически в малых популяциях под действием дрейфа генов.

Сравнение популяций показало, что различия в аллельном составе касаются не только относительно редких, как это в целом характерно для популяций перекрестноопыляющихся растений, но и частых аллелей. Обращает на себя внимание, что «отклоняющиеся» по частоте варианты выявлены в разных локусах и в разных выборках. Анализ изменений частот аллелей и генотипов по разным градиентам (север-юг, по высоте над уровнем моря), приуроченности к тем или иным экологическим условиям показал отсутствие каких-либо закономерностей. Эти закономерности подтверждаются и при анализе таких популяционных признаков, как половая и возрастная структуры популяций. Выявленные различия популяций обусловлены, вероятно, лишь статистическими причинами из-за разной и в большинстве случаев очень малой численности особей в местообитаниях. В большинстве популяций родиолы иремельской нет сбалансированности состава генотипов, что показано тестами на соответствие правилу Харди

Вайнберга. Особенно это справедливо для иремельских выборок, где из-за & хищнических заготовок в последние десятилетия резко снизилась численность популяции.

Как и частота аллелей, значения параметров генетического разнообразия в популяциях значительно различаются. Для среднего числа аллелей на локус эти изменения составили 2.0 - 3.0, доля полиморфных локусов изменялась от 75 до 100 %, наблюдаемая и ожидаемая гетерозиготность - от 0.167 до 0.371 и от 0.155 до 0.457, соответственно. В большинстве выборок наблюдаются положительные значения индекса фиксации Райта, что свидетельствует о значительном влиянии инбридинга и/или статистических причин на генетическую структуру. Анализ подразделенности выборок показал, что по 8 полиморфным локусам в среднем 11.5 % всей изменчивости относится к ее межвыборочной составляющей. По литературным сведениям для других видов с близкими биоэкологическими свойствами нами установлены средние величины параметра Fst от 0.038 до 0.099. Лишь для эндемичных видов межпопуляционная дифференциация выше (Fst = 0.141). Нами не выявлено существование каких-либо закономерностей между уровнем подразделенности выборок и расстоянием между ними. Анализ истории развития родиолы иремельской (Rhodiola iremelica Boriss) - эндемика Южного Урала - позволяет и теоретически ожидать повышенной межпопуляционной и даже внутрипопуляционной дифференциации отдельных выборок. Вид, когда-то обладающий относительно большими популяциями и характеризовавшийся высоким потоком генов между ними, в послеледниковый период был вытеснен на вершины отдельных горных хребтов и вершин и ныне представлен небольшим числом изолированных популяций и субпопуляций с крайне небольшой эффективной численностью. Возможно, в этом главная причина установленной нами относительно высокой межпопуляционной подразделенности вида, fc Нами проведена оценка соотношения компонент межвыборочной изменчивости выборок родиолы иремельской различных иерархических уровней (внутри местообитания, между предполагаемыми субпопуляциями одного хребта, между популяциями различных хребтов). Объединение в группы проведено на основании географических расстояний. В большинстве случаев близкорасположенные выборки в пределах отдельных местообитаний дифференцированы на небольших уровнях. При этом на разных местностях (хребты Уралтау, Ирандык и горный массив Иремель) для этой категории выборок получены практически одинаковые величины подразделенности (Б^ = 0.033 - 0.034). На более высоких иерархических уровнях объединения выборок значения генетической подразделенности намного выше.

Существование вегетативного размножения и копий одного и того же генотипа представляет большую трудность в оценке реального объема популяций. Без определения «генетического портета» каждой особи могут произойти переоценка числа генетически уникальных особей и эффективного объема, отбор в качестве объекта сохранения представителей одного и того же клона. Для видов с частичным самоопылением в пределах рамет может наблюдаться инбредная депрессия. Наши данные показывают, что родиола иремельская ранее возобновлялась преимущественно семенами. Для выявления этой закономерности нами были изучены многолокусные генотипы всех имеющихся на пробных площадях особей с использованием 8 полиморфных изоферментных локусов и составлены «генетические портреты» 576 растений. Всего выявлено 337 уникальных многолокусных генотипов, что составляет 58.5 % от числа изученных растений. Лишь в одной выборке одним и тем же генотипом представлены 10 особей (41,7 % от их общего числа на пробной площади). Видимо, это единственная изученная нами пробная площадь, где вегетативное размножение могло иметь существенное значение. Каких-либо закономерностей по соотношению семенного и вегетативного возобновления в зависимости от экологических условий местообитаний (на гольцах, скальных обнажениях, горных остепненных лесах и т.д.) не выявлено. Например, соседствующие выборки иногда имеют сильно различающиеся доли уникальных генотипов. С другой стороны, выборки из разных экологических условий могут иметь близкие значения этого показателя.

Установлено, что распределение генотипов в двумерном пространстве имеет неслучайный характер (существование закономерности в размещении растений показано для 7 из 8 полиморфных локусов). Положительная и статистически достоверная автокорреляция наблюдается в двух интервалах -непосредственно вблизи «материнского растения» и на больших классах дистанций. В первом случае, видимо, на это влияет частичное вегетативное расселение и небольшой радиус расселения семян от растений. Повторная положительная автокорреляция на больших дистанциях, видимо, обусловлена уже куртинным характером расположения особей родиолы (возникающей из-за ограниченности и «пятнистого» расположения площадей, где возможно произрастание растения). По трем количественным показателям (половой тип, возраст и размер растений) также установлена неслучайная пространственная структурированность в местообитании родиолы иремельской.

Повышенная подразделенность популяций родиолы иремельской усиливается из-за антропогенного воздействия (заготовка сырья и сокращение числа растений в местообитаниях), приводящего к уменьшению плотности и численности популяций. В 1990 г. Ю.А.Янбаевым были собраны образцы родиолы иремельской на горном массиве Иремель из четырех субпопуляций и проведен их электрофоретический анализ. В 2002 г. нами проведен повторный анализ популяционной структуры тех же выборок и по тем же локусам. Выявлено исчезновение части аллелей, ранее обнаруженных в субпопуляциях. К их числу относятся как редкие, так и являющиеся прежде общими аллели. Такие же изменения коснулись и остальных использованных нами популяционных параметров. Среднее число аллелей на локус уменьшилось с А = 3.33 до А = 2.0, снизились значения ожидаемой и наблюдаемой гетерозиготности (в среднем от 0.257 до 0.182 и от 0.288 до

0.221 для Но и Не, соответственно). Величина межпопуляционной ^ подразделенности возросла от Fst = 0.033 до Fst = 0.073, генетическое расстояние Нея увеличилось с D = 0.010 до D = 0.033. Средний для локусов коэффициент инбридинга изменился с F = + 0.108 до F = + 0.176. Если в начале 90-х годов в популяции наблюдаемые и теоретически ожидаемые частоты генотипов хорошо совпадали, то в настоящем исследовании выявлено нарушение правила Харди-Вайнберга. Причиной таких изменений может быть резкое уменьшение популяционной плотности и численности субпопуляций за анализируемый период. За это время численность растений сократилась в десятки и сотни раз, а некоторые субпопуляции исчезли практически полностью. Такое падение численности, возможно, и привело к уменьшению показателей генетического разнообразия.

Как показывают литературные данные, подкрепленные нашими результатами, состояние популяций родиолы иремельской можно охарактеризовать следующим образом. Численность популяции вида, которая являлась исходно малой, продолжает сокращаться. Наблюдается дальнейшая фрагментация и уменьшение площади ареала под влиянием как природных, так и антропогенных факторов. При этом успешность размножения вида довольно низкая и устойчиво снижается, что приводит к ф устойчивому уменьшению эффективной численности популяций, изменениям половой, возрастной и генетической структуры.

На основании вышеизложенного не вызывает сомнение необходимость в этих условиях поливекторной защиты родиолы иремельской - сочетание сохранения генофонда как в природных условиях in situ (в существующих и вновь создаваемых особо охраняемых природных территориях, а также вне этих территорий за счет законодательного регулирования), так и в искусственно созданной среде ex situ. Интенсивная заготовка сырья и угроза уничтожения некоторых местонахождений, а также относительно резко JI выраженная межпопуляционная подразделенность и большие различия по уровню генетического разнообразия популяций доказывает, что одних методов сохранения in situ недостаточно. Более того, по нашему мнению, вторая группа мер должен обладать определенным приоритетом, так как деградация популяций вызвана преимущественно естественными (уменьшение эффективной численности) причинами, а не только результатами заготовок сырья. Для большинства популяций проблема, видимо, обострена настолько, что деградацию можно охарактеризовать как приближающуюся к рубежу, за которым родиола иремельская во многих местообитаниях может исчезнуть или, как минимум, будет неспособна восстановиться самостоятельно. Таким образом, является особо актуальной решение проблем ее сохранения за счет мер ex situ с последующей реинтродукцией.

Учитывая все вышеизложенное, предложены практические рекомендации для сохранения родиолы иремельской на Южном Урале. Они предполагают, кроме очевидной необходимости сохранения в природных условиях популяций с наибольшей численностью (с относительно оптимальной возрастной, половой и генетической структурой), в создании в условиях культуры «синтетической» популяции сравнительно большого объема и последующей ее реинтродукции в особо охраняемых территориях. При этом мы исходим из того, что наиболее существенным микроэволюционным фактором, формирующим генетическую структуру родиолы иремельской на Южном Урале, может быть дрейф генов.

При отборе генотипов для создания искусственной популяции для интродукции в природные местообитания следует рассмотреть два параметра - число особей на популяцию и число отбираемых популяций. Судя по полученным нами результатам автокорреляционного анализа, для увеличения вероятности отбора особей с разным генотипом нецелесообразно отбирать более одного растения в радиусе 20 м. Из-за резких различий по половой структуре, отбор растений с разным половым типом, видимо, должен осуществляться среди генеративных растений по случайному принципу. Полученные нами данные о довольно высоких различиях в генетической структуре популяций родиолы иремельской и то, что они ^ приурочены к различным экологическим условиям, обуславливают во включение искусственной популяции для ее реинтродукции максимальное число выборок. Некоторые популяции могут теоретически играть большую роль в поддержании генетического разнообразия на уровне вида, если они имеют относительно высокие частоты в целом редких аллелей (этот результат и показан нами).

За счет использования компьютерной программы BIOSYS-1 и путем машинного перебора в разных комбинациях генотипов разных выборок были промоделированы несколько вариантов создания синтетических популяций для интродукции и последующей их реинтродукции в природные местообитания. При создании одной синтетической популяции, включающей ^ все изученные выборки, достигается наибольшее генетическое разнообразие

- среднее число аллелей на локус А = 4.1. Однако при этом резко увеличивается число случаев статистически достоверного отклонения наблюдаемого распределения генотипов от ожидаемых по правилу Харди-Вайнберга частот (происходит «дисбаланс» генетической структуры). Таких отклонений намного меньше, и они встречаются на меньших уровнях значимости, если «синтетические» популяции создавать на основе ^ географической близости выборок и их приуроченности к одним и тем же хребтам и горным массивам. При этом также возрастает генетическое разнообразие (по сравнению с любой отдельной выборкой), меньше риска нарушения их генетической структуры; наблюдается большее соответствие наблюдаемых распределений генотипов ожидаемым по правилу Харди-Вайнберга частотам. Одновременно достигается большая оптимизация половой структуры и состава различных возрастных групп.

На основе результатов проведенных исследований была создана на территории агробиостанции Сибайского института БГУ такая искусственная ^ популяция для выполнения работ по реинтродукции в природные местообитания.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Байрамгулов, Наиль Рафаилевич, Уфа

1. Алтухов Ю.П. Внутривидовое генетическое разнообразие: мониторинг и принципы сохранения //Генетика. 1995. - Т. 31. - С. 1333-1357.

2. Алтухов Ю.П., Духарев В.А., Животовский Л.А. Отбор против редких электрофоретических вариантов белка и темпы спонтанного мутационного процесса в популяциях //Генетика. 1983. - Т. 19. - № 2. - С. 264-276.

3. Алтухов Ю.П., Крутовский К.В., Духарев В.А. и др. Биохимическая генетика популяций лесных древесных растений //Матер, межд. симп. "Лесная генетика, селекция и физиология древесных растений" (25-30 сентября 1989, г. Воронеж) М.: 1989. - 222 с.

4. Андреева В.Н. Особенности распространения и экологии Rhodiola rosea L. в условиях Мурманской области //Биологические проблемы Севера. Апатиты, 1979. С. 19-20.

5. Андреева В.Н., Похилько A.A., Царева В.Т. Биологическая флора Мурманской области. Апатиты, 1987. С.21-29.

6. Атлас ареалов и ресурсов лекарственных растений СССР. М., 1976. -С. 160-161.

7. Борисова А.Г. Сем. Толстянковых Crassulaceae DC. //Флора СССР. -М., Л.: Изд-во АН СССР, 1939. - Т.9. - С. 8-39.

8. Бреслина М.П. Орнитофильная флора островов Кандалакшского залива Белого моря //Экология. 1979. №2. -.С.42-52.

9. Бреслина М.П. Уникальность орнитогенной растительности островов Белого и Баренцева морей //Охрана ботанических объектов на Крайнем Севере. Апатиты, 1977. С.88-102.щ 15. Воробьев Д.П. Определитель сосудистых 'растений окрестностей

10. Владивостока. Л.: Наука, 1982. - 253 с.

11. Воробьев Д.П. Растительность Курильских островов. М., Л.: Изд-во АН СССР, 1963.- 92 с.

12. Воробьева Е.Г. Влияние температуры воздуха на сезонное развитие популяций венерина башмачка и родиолы розовой в Кандалакшком государственном заповеднике //Сезонная ритмика редких и исчезающих видов растений и животных. М., 1980. С.41-42.

13. Ворошилов В.Н. Определитель Советского Дальнего Востока. М.: ш Наука, 1982. 672 с.

14. Гиляров М. С. Проблемы современной экологии и теория естественного отбора //Успехи современной биологии, 1959, Т. 18 - № 3(6). - С. 267-268.

15. Гончаренко Г.Г., Кривко В.Г., Потенко В.В, Хотылева JI.B. Эндоспермы Picea abies как тест-система для определения темпов мутирования в районах с радиоактивным загрязнением //Доклады АН БССР, 1991. Т. 35. - № 4. - С. 365-369.

16. Гончаренко Г.Г., Падутов В.Е. Руководство по исследованию древесных видов методом электрофоретического анализа изофермен-тов. Гомель: Белорусе. НИИЛХ, 1988. - 67 с.

17. Гончаренко Г.Г., Потенко В.В. Параметры генетической изменчивости и дифференциации в популяциях ели европейской (Picea abies (L.) Karst, и ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) //Генетика. 1991. - T.27. -N.10.-C.79-92.

18. Горчаковский П. JI. История развития растительности Урала. -Свердловское книжное издательство, 1953. 144 с.

19. Горчаковский П.Л. Растительность и ботанико-географическое деление Башкирской СССР //Определитель высших растений Башкирской АССР. М.: Наука, 1988. - С. 5-13.

20. Горчаковский П.Л. Флора и растительность высокогорного Урала //Тр. ин-та экологии растений и животных Урал. фил. АН СССР. 1966, Вып. 48. - 272 с.

21. Горчаковский П.Л., Шурова Е.А., Князев М.С. и др. Определитель сосудистых растений Среднего Урала. М.: Наука, 1994.

22. Днепровский Ю.М., Ким Е.Ф., Юманова Т.П. Сезонное развитие и рост Rhodiola rosea L. в связи с интродукцией //Бюл. ГБС. 1975. Вып. 98. С.27-34.29.