Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Генетические анализ природных пол...ций и лесосеменных плантаций сосны обыкновенной

ВАК РФ 06.03.01, Лесные культуры, селекция, семеноводство

Автореферат диссертации по теме "Генетические анализ природных пол...ций и лесосеменных плантаций сосны обыкновенной"

Министерство науки, высшей юколы и технической политики

■ Российской федерации ИНСТИТУТ ЛЕСА ИМЕНИ В.Н.СУКАЧЕВА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН

Г I и ^

и Л. ! ¡.-'..¡ч ¡о.'^

На правах рукописи

НМГАПОВ ЬИННУР Ш'ДАРОВИЧ

УЖ 630.1-65:582.475.4

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРИРОДНЫХ ГОР .ЩЙ И ЛЕСОСЕМЕНШХ ПЛАНТАЦИИ СОСНЫ ОШШОВЕШЮП ,

Специальность 06.03.01 - Лесные культуры, селекшш, семеноводство и озеленение городов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Красноярск - 1993

Работа выполнена в Ботаническом саду-институте Бажирского научного центра Уральского отделения РАН

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор биологических наук, профессор Старова Н.В., кандидат биологических наук Янбаев В. А.

доктор биологических наук, профессор Судачкова Н.Е., кандидат биологических наук Сушхов A.B.

Институт лесоведения РАН

Защита диссертации состоится " 20 " апрдл^ 1993 г. _ часов на заседании специализированного совета

Д 002.70.01 по присуадению ученой степени кандидата биологических наук по специальности 06.03.01 - "Лесные культуры, селекция, семеноводство и озеленение городов" в Институте леса имени В.Н.Сукачева СО РАН (660036,.г. Красноярск, Академгородок, Институт леса им. Сукачева В.Н.).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " ^ " марта

1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат биологических- наук

А.Я.Ларионова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность теод. Для разработки и осуществления- комплексных программ сохранения, воспроизводства и улучшения лесник ресурсов с использованием в качестве- лесосеменной базы клонових лесосеменшх плантаций необходимы глубокие знания об уровне внутри- и метшопуляняонной генетической изменчивости селектируемых природных популяций в каедом лесорастительном районе, степени их дифференциации и системе скрещивания. Анализ популяционно-генетической структуры основных лесообразупцих видов позволит оценить селекционную ценность естественных насаждений и обосновать выделение генетических резерватов, материал из которых мотс-но использовать при закладке семенных плантаций. Такие исследования также дапг возможность провести сравнительный генетический анализ используемых в настоящее время плантаций первого порядка и исходных популяций с целью оценки степени сохранения в родительских клоках в воспроизводства в семенном потомстве плантаций уровня изменчивости, харахтерногодля природных насаждений.

Пел*, и задачи исследований. Основная цель исследований -сравнительное изучение уровня генетической изменчивости и параметров естественного скрещивания в природных популяциях и на ле-сосеменных плантациях сосны обыкновенной.

Шли поставлены следующие задачи: 1) Изучить методом диск-электрофореза в полиакриламидном геле генетический контроль ферментных систем сосны обыкновенной; 2) Исследовать уровень генетической изменчивости и дифференциации природных популяций сосны обыкновенной; 3) Оценить степень воспроизводства уровня генетической изменчивости природных популяций на лесэсеменных плантациях с различным числом клонов; 4) Провести сравнительный анализ степени стабильности показателей генетического разнообразия потомства на лесэсеменных плантациях и природных популя-

пнях в разные годы; 5) Определить частоту самоопыления в природных популяциях и на лесосеменных плантациях сосны обыкновенной. Изучить явления самостерильности и самофертильности клонов; 6) Исследовать избирательность опыления при проведении контролируемого скрещивания на лесосеменной плантации.

Научная новизна. Впервые в данных регионах выполнены популя-шюнные исследования сосны обыкновенной с использованием изо^ер-ментных генетических маркеров. Установлены механизмы наследования 20-локусов, контролирующих синтез 12 ферментных систем. Впервые в 'напей стране проведен сравнительный генетический анализ потомства лесосеменных плантаций и исходных популяций сосны обыкновенной, выявлена опасность обеднения генофонда в результате использования клоповых плантаций в качестве базы для получения семенного материала. Приводится генетическое обоснование минимально необходимого числа клонов на лесосеменной плантации. Впервые приводятся оценки доли самооплодотворения сосны обыкновенной в разные годы.

Практическая ценность. Описание изо^ерментных систем позволяет использовать их для решения большого спектра теоретических и практических проблем. Результаты исследования уровня изменчивости и дифференциации популяций используются для оценки их генетической ценности и перспективности в селекционном плане с целью выделения генетических резерватов, уточнения лесосеменного районирования. На основе генетического анализа потомства отобраны клоны для закладки,плантаций второго порядка. Основная часть наших исследований проводилась по заказу Смилтенского ЛПХ (Латвия).

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены в докладах на научных семинарах Ботанического сада ЕНЦ УрО РАН (19fc9-1991), лаборатории селекции ЛатНЮШЛ (1991), на научных, конференциях ЕНД УрО РАН "Изучение, охрана и рациональное использование природных ресурсов" (У1>а, 1SC?, 1991), на Международное симпозиуме "Лесная генетика, селекштн п ригщзлэгия лревосичх

растений" (Воронеж, 1989), на Международном симпозиуме ИШРО "Лесная генетика: охрана, воспроизводство и рациональное использование генетических ресурсов" (Уфа, 1991), на П съезде ВОа>Р (Минск, 1990), на 1У Международном конгрессе Европейско-Средк-земноморского отделения МАБС "Роль ботанических садов в современном урбанизированном мире" (Тбилиси, 1991), на 1У Всесоюзной конференции "Экологическая генетика растений, животных, человека"

1ПП1 1

Публикации. По материалам исследований опубликованы 11 печатных работ, 7 работ находятся в печати.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав (1 - обзор литературы, 2 - район, объекты и методы исследований, 3-7 - результаты и обсуждение), выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 186 страницах, включает 50 таблиц и 23 рисунка. В списке использованной литературы 160 работ, из которых 103 на иностранных языках.

ГЛАВА 1. ИЗО^ЕРШГГШИ АНАЛИЗ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ИЗУЧЕНИИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ И ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ] СКРЕЩИВАНИЯ В ПРИРОД- • ШХ ПОПУЛЯЦИЯХ И НА ЛЕСОСШЕНШХ ПЛАНТАЦИЯХ ХВОЙШХ ВИДОВ (Обзор литературы)

Анализируются литературные данные о применении изофермент-ного анализа в лесной генетике и селекции. Рассматриваются возможности и преимущества использования изо^ерментов в качестве моле-кулярно-генетических маркеров' при проведении популяиионно-генети-ческих исследований и выполнении селекционных работ. Показана важность популяционно-генетических исследований, являющихся основой для сохранения и воспроизводства генофонда древесных растений. Рассматриваются .вопросы селекционной ценности и генетической эффективности кленовых , лесосеменных .плантаций хвойных видов,- Приведены результаты изучения системы скрещивания древесных растений. В обзоре в основном использованы работы, вы-

полненные с применением изэ^ерментных генетических маркеров.

ГЛАВА 2 . ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Кратко характеризуются географическое положение, рельеф и климатические условия в. районах исследований. Приведено такса-ционно-лесоводственное описание изученных насаждений.

Объектами исследований является природные популяции и лесо-семенные плантации сосны обыкновенной. Материалом послужили индивидуальные сборы семян с отдельных деревьев в 3 популяциях (выборки Мс - 52 дерева, Смл - 55, Днд - 55) и 2 клоновых плантациях (Олн - 33 клона, Вст - 20) в Латвии, а также в 2 популяциях в Германии (выборки Рст - 23 дерева, Швд - 67).

Исследования проводили методом электро^оретического разделения ферментов из экстрактов тканей эндоспермов и зародышей (или проростков) в вертикальных пластинах с 7,Ъ% полиакриламид-ным разделяющим гелем (pH 8,9) в трис-глициновым электродном буфере (pH Ь,3) ( Davis , 1965). В качестве шлекулярно-генети-ческих маркеров использовали изоферменты аспартатаминотранс^ера-зы (ААт , 2.6.1.1), глутаматдегидрогеназы (gdh, 1.4.1.2), 6-Фэароглюкэнатдегидрэгеназы (6-pgd, 1.1.1.44), ишкиматдегидроге-назы (SKDH, 1.1.1.25), малатдегидрогеназы (MDH, 1.1.1.37), лей-_цинаминопептидазы (lap, 3.4.11.1), ^ормиатдегвдрогеназы (i'DH ,

1.2.1.2), кислой фос^атазы ^АСР , 3.1.3.2), диафоразы (DIA ,

1.6.4.3), супероксидцисмутазы ^od, 1.15.1.1), фумйразы (.гам , 4.2.1.2), глииерат-2-дегидрогеназы i.g-2-dh ,• 1.1,1.29). Гистохимическое выявление зон ферментативной активности после электрофореза проводили по стандартним методикам ;Shaw, Prassad ,1970; Vallejos , 19L3; Conkle et al ., 19Ь£) С наяимм модификациями. Генетический контроль '¿ерментов изучали методом анализа сегрегации аллелей в мегагагето^итах се:<-ян отдельных деревьев ^гето-■рэзигэтнне особи продулируют два типа гамет к, соответственно,

два вида эндоспермов в соотношениях близких к 1:1). По каздому типу гетерозигот по отдельным локусам анализировали не менее 40 эндоспермов. Отклонения от ожидаемого соотношения оценивались по стандартному "^-критерию. Генотип материнского дерева определяли не менее, чем по 12 эндоспермам. Систему скрещивания и изменчивость потомства изучали по 14-19 зародышам на особь. Используемый нами метод позволил исследовать кавдый зародыя сразу по всем полиморфным локусам.

При анализе уровней генетической изменчивости использовались стандартные методы и показатели, наиболее часто и успешно применяемые в популяционно-генетических исследованиях: частота аллелей, наблкдаемая (Нэ) и ожидаемая (Не). гетерозиготности, среднее число аллелей на локус (А), число генотипов в полиморфных локу-сах (К), доля полиморфных локусов (Р), коэффициент инбридинга ( Р). Соответствие наблвдаемых распределений генотипов ожидаемым при равновесии Харди-Вайнберга по каждому локусу проверялись по

о

стандартному "У. -критерию и модифицированному для полиаллелъных локусов и малых ожидаемых численностей генотипов й -критерию (Ыивотовский, 1983). Меквыборочная гетерогенность аллельных час-

о

тот определялась по критерию . Различия между ожидаемой и наблюдаемой гетерозяготностью, значимость межвыборочных различий средней гетерозиготности и среднего числа аллелей на локус оценивались по С'—критерию Стьвдента. Степень стабильности геноти-пического состава потомства по урожаю двух лет оценивали с помощью показателя генетического сходства г (Кивэтовский, 1979). Анализ подразделения выборок проводили по относительным величинам меглопуляционной ) и внутрипопуляционной (НБ/НТ ) составляющих генетической изменчивости (Ие1 , 1973). Для количественной оценки степени дифференциации популяций использованы генетические расстояния (Б ) (Не! , 1972). Матрицы значений и ис-

пользованы для построения девдрограш с помощью метода невзвелен-ных парно-групповых арифметических средних (Saeath, Бока1 ,1973).

свдективная частота самооплодотворения определялась путем сопоставления генотипа зародыша семени с соответствующим материнским генотипом. Для определения частотц самоопыления были отобраны лишь деревья, имеющие в большинстве изменчивых локусов гомозиготные генотипы, что свело вероятность ошибок к минимуму. Полная идентичность электро-оретического спектра зародыша с материнским свидетельствовала о .¿акте самоопыления (СЬеНак еь а1., 1987). с-тэт метод позволил выявить долю самооплодотворении* киз-неспособных семян в семенном урокае отдельных деревьев и всего насаждения в целом.

ГЛАВА 3. ПШГйЧЕСШ КОНТРОЛЬ ШЮЛКУЕ.'Ш: ЖШГШл СИСТИЛ

Аспартотаччкотрансдерэаа. После электрофореза фермент выявляется в геле в виде четырех основных зон активности. Изофермен-тц четвертой, бличайшен к катодной части геля, зоны проявлялись нестабильно, не поддавались надежной интерпретации и поэтому в данной работе нами не учитывались. Остальные три зоны активности проявили независимую изменчивость и контролировались тремя полиморфными лэкусами. Наиболее подвижный локус АаЪ-1 характеризуется небольшой изменчивостью. Локусы кв.ь-2 и АаЪ-3 были высокополимор-¿щцми: число аллелей в некоторых популяциях доходило до 5. Наиболее частые аллели были общими во всех выборках. Исключение составила популяция Рст, где преобладал аллель АаЬ-2114. На электро^о-реграммах ААТ гетерозиготных зародышей выявляется характерный для димеров трехполосный спектр.

Улутаматдегшгоогеназа. Во всех изученных образцах единственная зона активности контролировались одним высокогетерозиготным локусэм с дпумя аллелями. Самый частый аллель был общим во всех

популяциях, кроме Шмд, где преобладал аллель gdh-1 . Гетерозиготные по этому локусу зародыши имеют диффузный спектр из нескольких слившихся полос, что характерно для ферментов с мультимерной структурой,

Шикиматдегидрогеназа. На электро^ореграммах зкш выявлены две зоны активности с независимой изменчивостью. Однако, медленно мигрирующая зона проявлялась нестабильно и наш в окончательный анализ не включена. В локусе Skdh-1 в некоторых выборках наблюдалось до 5 аллелей, однако частота встречаемости большинства из них была не более 0,050. Наиболее частый аллель был общим во всех выборках. Изоферменты SKDH у гетерозиготных зародышей имели характерный для мономеров двухполосный спектр.

б-фосцоглтакзнатдегидрогеназа. 6-pgd образует на геле две окрашиваюциеся зоны активности. Генетический контроль электро^о-ретических вариантов в ближний к катоду части геля,вследствие неинтенсивности их окрашивания, нами не изучался. Бистро мигрирующая зона контролировалась высокополиморфным локусом. При анализе сегрегации обнаружено 4 аллеля. В зародышах дополнительно выявлен редкий аллель б-Pgd-l^« Наиболее распространенные аллели были общими для всех выборок. Фермент имеет димерную структуру.,

Лейцинаминопептидаза. Электрофореграмма LAP представлена двумя независимыми зонами ферментативной активности, которые кодируется полиморфными локусами. При анализе сегрегашш аллелей в эвдоспермах в локусе Ьар-2 выявлено 3 аллеля. В генотипах зародышей обнаружен дополнительно редкий аллель Lap-2 . В локусе Lap-1 установлена сегрегация по двум аллелям, однако среди зародышей выявлены еще два аллеля. В популяциях из Германии локус Lap-1 оказался мономорфным. Фермент имеет мономерную структуру.

Малатдогидрэгеназа. Электрофоретический спектр ЩШ представлен четырьмя зонами активности. Две ближние к катоду зоны сегрегируют совместно и находятся под контролем одного.полиморфного

- О -

локуса с двумя аллелями. Локус Mih-2 оказался мономорфным. Самая бистро мигрирующая зона контролируется изменчивым локусом с двумя аллелями. В полиморфных локусах наиболее частые аллели были общими для всех выборок. По структуре своей фермент является димером.

Ф о рта тдегил рогена за. Единственная зона активности контролируется комс;та:еыт.! ЛО:;усОУ с 3 сишаЛпШ. ЗШЙЭДЙЦТСЙ димером.

Кислая аюооатаза. Стабильное окра айва цие и надежная генетическая интерпретация получены для одной зоны активности, которая контролируется высокополиморфным локусом Аср-1. Во всех выборках обнаружено 6 аллелей. Молекулы АСР имеют димерное строение.

Диашораза. На гелях досле электрофореза проявляется до 4 зон ферментативной активности диафорааы. Наиболее интенсивно окрашивается быстро мигрирующая зона, которая контролируется изменчивым локусом с двумя аллелями. Ближайшая к катоду зона была инвариантной. Генетический контроль остальных промежуточных по подвижности зон активности, ввиду нестабильности окрашивания, оказался невозможным. Диафораза имеет мономерную структуру.

Глицерат-2-дегидрогеназа. Во всех изученных образцах наблюдается одна зона активности, в которой изменчивость не выявлена.

¿■умараза. Единственная зона активности была инвариантна во всех выборках.

Супеоокоиддисмутаза. В гелях после электрофореза выявляется 4 зоны активности. В исследованных выборках изменчивость в этих зонах не обнаружена. Для установления генетического контроля нами использвались семена гетерозиготных по sod деревьев сосны обыкновенной из других регионов. Установлено менделевское расщепление в зонах s0d-3 и sod-4. U зонах sod-1 и sod-2 электрофоротических вариантов с измененной подвстшостыс не обнаружено, поэтому нами использована только одна из них, стгг-

ветственно, принята модель генетического контроля SOD 3 локусамп.

Таким образом, наш! изучен генетический контроль 12 ферментных систем сосны обыкновенной. Выявлено, что они кодируются более чем 20 локусами, в которых обнаружено 55 аллелей. Сегрегационные отношения по отдельным локусам как в потомстве отдельных деревьев, так и суммарно по выборкам достоверно не отличались от ожидаемого 1:1.

. ГЛАВА 4. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ И ДИ^ЕРЕНЦИАЦИЯ ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ С0СЕ1 ОВЖНОВШНОЙ

4.1. Уровень генетической изменчивости природных популяций сосны обыкновенной

Уровень генетической изменчивости природных популяций сосны обыкновенной оказался высоким 1табл. 1). Из использованных нами 20 локусов 13 были полиморфными. Средняя наблкдаемая гете-розиготность равна 0,153*0,007, средняя ожидаемая - 0,182*0,005, среднее число аллелей на локус - 2,00*0,08. Эти данные в целом близки к полученным ранее для сосны обыкновенной и других хвойных (Алтухов и др., 1989). При анализе соответствия наблюдаемых и ожидаемых распределений генотипов в выборках взрослых деревьев в 9 случаях из 62 выявлены существенные отклонения от равновесия ларди-Вайнберга на 555 уровне значимости.

Латвийская популяция Смл резко выделяется среди остальных выборок более высоким уровнем изменчивости (кроме Н0). Возможно, это является следствием проведенных здесь ранее выборочных рубок. Для решения этого вопроса необходим анализ смилтенской популяции в других выборках, не подвергшихся рубкам. Однако, при получении близких показателей степени генетического разнообразия по всем выборкам можно было бы провести анализ сопряженности изоферментной изменчивости с продуктивностью, так как данное насаждение характеризуется не только высоким.уровнем генетической

Таблица I

Уровень генетической изменчивости природных популяций оосны обыкновенной

по 20 изоферментным локусам

Популяция ! А 1 | Р95* | Р99£ 1 НА 1 0 ' нп ! 0 ! * !

Г. Мп , '..0010.22. 40,0 65,0 0,18010,010 0,18010,010 0,044

2. С мл ?..25±0,29 60,0 65,0 0,20210,004 0,16010,010 0,208

3'. Дмд 2,0Б±0,2б 45.0 55,0 0,17110,010 0,13110,009 0,234

4. Шмд 1,80Ю, 26 55,0 55,0 0,17910,009 0,14710,008 0,179

Б;. РОТ 1,8510,21 50,0 55,0 0,177*0,015 0,16210,014 0,085

3 среднем 2,0010.08 50,213,5 59,312,4 0,18210,005 0,153Ю,007 0,159

изменчивости, но и высокими показателями таких хозяйственно 1-а ных признаков, как класс бонитета (1а), средняя высота (33,£м>, средний диаметр (45 см), запас насаждения (535,6 м^/га).

4.2. Пространственная дифференциация природных популяций соснц обыкновенной

Для изученных наши локусов у взрослых деревьев наиболее распространенные аллели в основной является общими во всех популяциях. Различия в составе аллелей касаются главным образом более редких вариантов. Наиболее значительный вклад в различия по ал-лельному составу вносят локусы АаЛ-2, Бк<й1-1, Аср-1. В смялтенс-кой выборке обнаружена нехарактерная для природных популяций сосны обыкновенной большая частота АаЪ-!111 (г = 0,336). Достоверная межвыборочная гетерогенность аллельных частот на Ъ% уровне значимости наблхдалась для 14 аллелей из 42, обнаружешшх в 13 полиморфных локусах.

Анализ подразделенности популяций показал, что 94, Зм общей изменчивости относится к внутрнпопуляшганной в 5,7% обусловлено меадопуляшганной дифференциацией. Близкие к налим значения иежпз-. пуляшюнной составяяпцей изменчивости для популяций еоснн обыкновенной были выявлены ранее и в других регионах (Янбаев, 1989; Семериков, 1991). -

Вычисление генетического расстояния показало низкую степень дифференциации популяшш, за исключением популяции Сил, которая значительно дивергировала от всех остальных выборок. Генетическое расстояние между Сил и други?,«и популяциями составило в среднем 0,0288, а при исключении Сил из расчетов среднее значение показалось в 3 раза меньше (0,0094). Такое мё значение генетического расстояния по Нею было получено в среднем для 7 видов Р1пив в близкорасположенных выборках (<20 км) (Алтухов и др., 1989). На основе генетического расстояния построена дендрограмма генетичес-

кого сходства популяций, которая в целом соответствует их географическому положению (за исключением Смл).

Ранее было принято клоповый состав лесосеменных плантаций сосны обыкновенной в Латвии формировать раздельно по семеноводческим районам - восточному и западному (Роне, 1985). Однако, проведенные наш исследования показали, что популяции из этих районов дивергировали незначительно: имеют близкие значения ге-йетической изменчивости, состава и частот аллелей и генотипов.

ГЛАВА 5. ВОСПРОИЗВОДСТВО ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ НА ЛЕСОСЕМЕННЫХ ПЛАНТАЦИЯХ СОСШ ОБЫКНОВЕННОЙ

5.1. Идентификация клонов на плантациях

На прививочных клоповых плантациях деревья, принадлежащие одному клону, считаются генетически идентичными, однако, в силу ряда причин в составе клонов могут быть особи о другими генотипами ("примеси"). Следовательно, первым этапом проведения селекционных мероприятий на плантациях должно быть составление генетических портретов каждого клока и дерева.

На исследованных нами плантациях каждый клон имел уникальный многолокусный генотип. На каждой плантации "примеси" обнаружены в составе 4 клонов. Таким образом, идентификация деревьев на клоновых плантациях позволит отбраковать "примеси", паспортизировать материал, полученный от них, контролировать опыты по. искусственным скрещлваниям, то есть вести все работы с конкретным генотипом.

5.2. Генетическая изменчивость родительских клонов на лесосеменных плантациях сосны обыкновенной

Плантация Олн является вегетативным потомством деревьев, отобранных в популяции 'лс, поэтому вызывает особый интерес их сравнительное исследование с целью определения степени воспроизводства на плантации уровня разнообразия, характерного для яс-

ходногэ насаждения.

Состав и частота аллелей на плантации Олн и в популяции Мо были близки: различия в частотах составили в среднем по всем аллелям в полиморфных локусах 4,34^, различия в аллельном составе касаются в основном более редких аллелей. Так, в популяции выявлены аллели АаЬ-2107, Лв.ь~212в, БксШ-1108, Аср-188, которые в генотипах клонов на плантации не наблхщалксь. В популяции обнаружено 40 аллелей в 20 изученных локусах, а на плантации - 37. Число генотипов в полиморфных локусах на плантации и в популяции было близким(42 и 43, соответственно).

Из 20 локусов, изученных на плантации, 13 оказались изменчивыми, в том числе для 10 локусов установлена диаллелышя система генетического контроля. В локусах Аа1;-3 и Ьар-2 выявлено по 3 и в 6—Р(5<1-1 - 4 аллеля. Среднее число аллелей на локус составило 1,8530,18. Средняя ожидаемая гетерозиготиость равна 0,165*0,013, средняя наблюдаемая - С,145*0,016. Эти результаты показывают, что в целом показатели уровня генетической изменчивости на плантации с 33 клонами ниже, чем в исходной природной популяции (табл. 2).

Генетический анализ плантации Вст (20 клонов) выявил значительное снижение разнообразия. Среди изученных 20 локусов лишь 11 были полимойными, среднее число аллелей на локус составило 1,65*0,15. Как следствие, выявлено значительно меньше генотипов в изменчивых локусах (34), чем в Олн и Мс. Следовательно, использование на плантациях вйего 20 клонов недостаточно для сохранения уровня изменчивости природных насатздеки?. А на плантации Олн с 33 клонами-в полом воспроизводится уровень генетической изменчивости, характерный для взрослых деревьев в входной популяции Мс. Однако, обнаруженная тенденция снижения • шлелыюго разнообразия и гетерозиготности кот»ет привести в (альней'пем к обеднению генофонда насаждений, создараеук:; сс.'е-

нами из данной плантации. Для оцешш степени воспроизводства генетического разнообразия селектируемой популяции' в семенном потомстве плантации'нами приведен сравнительный анализ зародышей.

Таблица 2

Уровень изменчивости в природной популяции Мс и на лесосемешшх плантациях Олн и Вст

Выборка I А ! К 1 Р99 ! Не ! Е, ! ¥

Популяция Мс 2,00 43 65 0,180 0,172 0,044

Плантация Олн ■ .

(33 клона) 1,65 42 65 . 0,165 0,145 0,121

Плантация Вст - • ~ ' ■

(20 клонов) 1,65 34 65 0,174 0,136 0,218 -

ГЛАВА 6. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЬАРОДЫ-ша! В ПРИРОДНОЙ ПОПУЛЯЦИИ И НА ЛЕСОСЕМЕН-НОЙ ПЛАНТАЦИИ СОСШ ОБЫКНОВЕННОЙ

Для получения генетически ценного материала с лесэсеменных плантаций необходимо, чтобы, помимо других требований, параметра генетической структуры потомства по годам были стабильными.' Однако, имеются опасения, что вследствие недостаточности числа клонов, асинхронности их цветения по годам ета стабильность мо^т «ет нарушиться. В естественных «е насаждениях благодаря наличию большого числа плодоносящих особей, видимо, достигается высокий уровень стабильности показателей изменчивости потомства. Поэтому результаты, исследований потомства популяции послужили критерием для определения допустимого уровня различий генотшшческэ-гп состава и генетической изменчивости по годам на плантациях.

0.1. Стабильность генотипического состава и уровня

генетического, разнообразия потомства в природ- ■ • ной популяции сосны обыкновенной

Основными показателями, характеризующими сходство или раз-

личяе потомства разных лет, были состав и частота встречаемости аллелей и генотипов в полиморфных локусах, ожидаемая и няблюдае-'-■ая гетерозиготность.

Состав и частота аллелей в выборках зародилей двух лет б!>л;; очень близкими. Различия касаются в основном редких аллелей, что, видимо, явилось следствием неравномерности выборок (1 год - 313 зарэданей, 2 год - 485). Достоверные различия более частых аллелей на Ъ% уровне значимости выявлены лиль для одного локуса из 9 полиморфных. На 1% уровне значимости достоверной межвыборэчнэй гетерогенности аллелъних частот не обнаружено.

Оценка сходства генотипического состава выявила достэверние различия в 6 .локусах. Однако, это явилось следствием высокого уровня разнообразия в популяшш и наличия большого числа редких генотипов, которые вносят основной вклад в генотипическую гетерогенность зародышей в семенных наборах двух лет. Так, при подсчете по критерию выявлено практически одинаковое число генотипов (табл. 3).

Таблица 3- •

Уровень генетической изменчивости среди зароды пен . в популяции Мс

Выборка . ! А ! А^ ! К ! К^' !" _ Н0 ! Н0 ! Р

1 год- • 3,00 . 2,56 ■ 40 32 . 0,255 0,290 -0,137

2 год ' 3,33 2,67 46 31 0,247 С,290 -0,174

Ожидаемая я наблюдаемая гетерозиготность среди зароди юР разщ:х лет как по отдельным.локусам, так и в средней ау ц(-стр.-?ш: не различались,- а значения средней наблюдаемо',! гетер к-пго; гпги бкли одинаковы'(табл'. 3). "■'

Тяни* обрз.чэ'.', скспер»рлекта.чьк1;р п^та-г? л »лтптчт*!. 'т

предположение о высокой степени стабильности уровней изменчивости среди потомства разных лет в природной популяции сосны обыкновенной.

6.2. Оценка стабильности генотипического состава и изменчивости потомства лесосеменной плантации

В выборках двух лет состав и частота аллелей были близкими. Достоверная гетерогенность на 55? уровне значимости выявлена для 7 аллелей йз 23 обнаруженных. Однако, на 1% уровне значимости существенные различия установлены лишь для двух аллелей. Выявлено также сходство генотипического состава: существенные различия на Ъ% уровне значимости наблюдались в 3 локусах, а на 1% стати» чески достоверных различий не обнаружено.

Наблвдаемая и ожидаемая гетерозиготность среди зародышей по годам как в среднем, так и по отдельным локусам существенно не различались (табл. 4).

Таблица 4

Уровни генетической изменчивости среди зародышей на плантации Олн

- Выборка ! А ! » I Ы | К ! ! 4% ! Н„ 1 ! 6 ! ! Н- ! , о , 7

1 год 2 год 2,56 2,56 2,22 2,44 ■ 34 35 30 31 0,230 С,236 0,270 С, 289 -0,174 -0,225

Анализ зародышей отдельных деревьев, принадлежащих одному клону и находящихся в различных частях плантации, выявил близкое сходство генотипического состава и показателей изменчивости потомства ракет,.что свидетельствует о довольно высокой степени ■' однородности ляльцевогэ пула в пределах плантации. Таким образом, рти резулыатн свадетедьстуют о достаточно высокой степени ста-

бильности воспроизводства изменчивости по годам в потомстве плантации с 33 клонами.

6.3. Сравнительный анализ генетической изменчивости потомства природной популяции и лесосеменной плантации

Сравнение результатов исследований зародышей на плантация Оли с исходной популяцией Мс показало наличие устойчивой тенденции к снижению основных показателей изменчивости потомства плантации, особенно уменьнение числа аллелей, приводящее к сужению генотипического разнообразия (табл. 5). Следовательно, в потомстве 33 клонов на лесосеменной плантации Олн не воспроизводятся многие редкие аллели и генотипы, имеющиеся в исходной популяции Мс, что снижает селекционную ценность плантации и ведет к потере генофонда природных насаждений при использовании ее в качестве постоянной лесосеменной базы.

При исследовании плантации Бет с 20 клонами обнаружено езе более существенное снижение уровня изменчивости потомства.

Таблица 5

Уровень генетической изменчивости потомства в популяции Мс и на плантациях Олн и Бет по 9 полиморфным локусам

Выборка ¡Число заро-! !дылей ! А ! К 1 ! Не ! Н_! т От Р

1. Популяция Мс 798 3,20 43,6 0,250 0,290 -С,, 1С."

2. Плантация Олн (33 клона) 938 2,56 34,7 0,234 0,201 -0.214

3. Плантация Вст (20 клонов) 570 2,22 29,0 0,216 Г), 27ч -0,2:9

На основапкп значений А и. К, которое является элпгае аз основных критериев лрп опенке степени сохггшонля гено^он'п, пт-чт проведен расчет нообхэ&глэго числа клоков кз лосэср?'р|'иг* п.-.!;'•-

ташш сэсны обыкновенной. Установлено, что аллельное и генотипи-ческое разнообразие, характерное для исходных'популяций,в основном сохраняется в потомстве плантации при использовании на них не менее 50 клонов. Дальнейшее увеличение числа клонов нецелесообразно с экономической точки зрения, так как это не приводит к пропорциональному повышению уровня изменчивости потомства. При невозможности соблюдения установленной величины числа клонов генетическую изменчивость потомства на плантации мотао, видимо, повысить л^тем подбора клонов, воспроизводящих потомство с высоким уровнем разнообразия, при условии, что они удовлетворяют остальным селекционным требованиям (синхронность цветения, равное участие клонов в общем урочше и т.д.).

ГЛАВА 7. СИСТЕ.1А СКРЩШАНИЯ СОСНЫ ОШКНОВЕННОИ

Средний уровень самоопыления в популяции Мс имел стабильную величину по годам: 6,43 (1 год) и 6,14$ (2 год). Эти результаты близки к полученным ранее для естественных насаждений сосни обыкновенной с использованием как морфологических, так и мо-лекулярно-генетических маркеров (Franklin , 1968; ßarvas t 1962; Koski, 1973; Eudin et al ., 1977; Müller , 1977; Духарев, 1985). Частота самоопыления на плантации Олн такте имела в разные годы близкие величины, однако, ее значение оказалось существенно выше, чем в популяции: 16,33 (1 год) и 15,41^ (2 год). В потомстве плантации двух лет из 741 изученного зародыша 116 (15,65%) били от самооплодотворения. Аналогичный результат получен и на плантации Вст, где степень самоопыления составила 15,7Эй.

Па плантациях выделены две группы клонов, резко различавшихся по частоте самоэплодэтвэренного потомства. Как правило, у деревьев, принадлежащих одному клону, наблвдалось близкое значение частоты самоопыления. Так па плантации Олн выделены 9 клонов, у которых доля самоопыленшх зародыяей была 0,-0-7,1-Й и 0 клонов с

частотой самозпшшнного потомства в пределах 10,52-52,63''. Такая же закономерность выявлена и на плантация Вот, где у 4 кланов доля потомства от самоопыления была не более 5,26^, а у 6 клонов оказалась значительно вы-ле - от 10,53 до 47,37"'. От и результат;; позволяют сделать вывод о генетической обусловленности параметров естественного скрещивания, являющихся, видимо, довольно стабильной характеристикой каждого клона. Таким образом, на плантациях выделены клоны относительно самостерильные и клоны с высокие уровнем самофертильности. Следовательно, выделенный наш значительно более высокий уровень самоопыления на плантациях по сравнению с природными популяциями, не являются лишь результатом обрезки крон или недостаточности числа клонов. Этому способствует также наличие на плантациях больного числа кланов с высоким уровнем самофертильности. Отбор самостерильных шопов для создания лесэсемешшх плантаций сосны обыкновенной является одним из сэм:;х важных и доступных мероприятий по снижению инбридинга.

Результаты опытов по контролируемому скрещиванию клонов пыльцой маркерного клона с уникальными аллелями, проведенных сотрудником ЛатШШП Микельсоне И.Г. и последующий совместный изо-ферментный анализ свидетельствовали об избирательности опылешш сосны обыкновенной. Поэтому для создания плантаций необходимо использовать клоны с широкой комбинационной способностью , что позволит обеспечить достаточно равное их участие в общем семенном урожае.

ВЫВОДЫ

1. Изучен генетический контроль 12 ферментных систем сэспн обыкновенной: дат, gbh, 6-pgd, skdh, мш, lap, fdh, dia, sod, fum, acp, g-2-dh. Выявлено, что они контролируются п об':;с£ сложности более чем 20 локусаш, яз которых 13 оказались г.олп?/ор-фншя. Описание día, fum, g-2-ш из эндоспермов соснк обысков«1:-

ной приводится впервые.

2. Установлен высокий уровень генетической изменчивости изученных природных популяций сосны обыкновенной. В среднем доля полиморфных локусов по 99% критерию составила 59,3$, средняя наблюдаемая гетерозиготность - 0,153, средняя ожидаемая - 0,182, среднее число аллелей на локус - 2,СО.

3. Выявлена низкая степень дифференциации изученных популяр, пий сосны обыкновенной. Установлено, что 94,3? генетической изменчивости относится к внутршопуляшонной, 5,7$ - к межпопуля-ционной. При этом вклад отдельных локусов в генетическую ддйе-реникацию популяций был различен. Наибольшее значение межпопу-ляшюнной составляющей генетической изменчивости обнаружено в локусах к&ь-1 (Оат = 62,1?) и Ьар-1 (35,6$?).

4. При изучении генетической структуры потомства выявлена высокая степень стабильности генотипического состава и уровня изменчивости в разные годы как в потомстве природной популяции, так и лесосеменной плантации с 33 клонами.

5. На основе генетического анализа взрослых деревьев и потомства установлено прямо пропорциональное снижение уровня генетической изменчивости при уменьшении числа клонов на лесосе-менных плантациях сосны обыкновенной по сравнению с исходными популяциям;;.

6. При анализе системы скрещивания сосны обыкновенной выявлено, что частота самоопыления на плантациях у деревьев, принадлежащих одному и тому же клону, тлеет близкую величину и стабильна в разные годы. На основе анализа изоферментов зародышей на плантациях вцделены относительно самостерильные клоны с долей само опиленного потомства не более 7,145? и клоны с высоким уровнем сот]сртилыюсти (частота самооплодотворения достигала 52,63^), что позволяет говорить о генетической обусловленности сз\'.остерилыюстн к са;ло1ертильности. Результаты опытов по конт-

ротируемому скрещиванию свидетельствуют об избирательности опыления сосны обыкновенной.

7. Установлено, что средняя частота самоопыления стабильна по годам как в природной популяции, так и на лесосеменной плантации. При этом частота самоопыления на плантации составила в среднем за 2 года 15,65$ и была значительно выле, чем в популяр шш, где доля самооплодотворенного потомства оказалась в среднем 6,24$. Высокий уровень самоопыления на плантациях является следствием обрезки крон деревьев, недостаточности числа клонов, наличия большого числа клонов с высоким уровнем самофертильности.

8. При идентификации клонов выявлено наличие "примесей" не менее, чем в 4 клонах каждой лесосеменной плантации. Следовательно, для исключения ошбок, до начала селекционных работ с использованием материала клоновых лесосеменных плантаций необходимо провести идентификацию всех клонов.

9. Таким образом, сравнительное изучение уровня изменчивости в природных популяциях и на лесосеменных плантациях сосны обыкновенной показало, что в большинстве случаев на плантациях не воспроизводится генетический потенциал природных популяций. Следовательно, изученные нами лесосеменные плантации первого порядка не выполняют свою селекционную роль по получению генетически улучшенных семян.- Для воспроизводства уровня генетической изменчивости и степени самоопыления, характерных для природных популяций, нужно отбирать самостерильные клоны с :пирокэй комбинационной способностью и производящие потомство с высоким уровнем разнообразия. При этом на плантации необходимо использовать не менее 50 клонов.

По те\-е диссертации опубликованы следующие работы:

1. Шигапов З.Х. К определению уровня панкяксил по.чуляпл'А сосны обккновгшнзР // Изучение, охрана, и рашюналыюэ полол"-,

вание природных ресурсов. 4.2. - Уфа, 1989. - С. 37.

2. Янбаев Ю.А., Шигапов З.Х. Состав иэоферментов 6-фоофо-глюконатдегидрогенази из эндоспермов сосш обыкновенной // Изучение, охрана и рациональное использование природных ресурсов. 4.2. - Уфа, 1989. - С. 39.

3. Янбаев L.A., Шигапов ¡З.Х., Бахтиярова P.M. Генетическое разнообразие и уровень инбридинга природных популяций сосны

о di-j\.trior4'Qiiiioii )f Лоснзя гс::ст;п:с, сслсгсцлл ^пололоPiLn лвСгш л. древесных растений. Матер. Мевдунар. симп. (Воронеж, 1989). -П., 1989. - С. 118-120.

4. Старова II.В., Янбаев Ю.А., Юмадилов Н.Х., Адлер З.Н., Духарев В.А., Шигапов З.Х. Генетическая изменчивость сосны обыкновенной в возрастных группах // Генетика. - 1990. - Т,26,-а" 3. - С. 498-505.

5. Янбаев Ю.А., Шигапов Е.Х. Сравнительный генетический анализ клонов, плантации и материнской популяции сосны обыкновенной (Pinuo sylvestris L.) // Изучение и рациональное использование природных ресурсов. - Уфа, 1991. - С. 173.

6. Шигапов с.Х. Оценка уровня самоопыления в природной популяции и на лесосеменной плантации сосны обыкновенной (pinus sylvestris L.) // Изучение и рациональное использование природных ресурсов. - Уфа, 1991. - С. 198.

•7. Янбаев Ю.А., Бахтиярова P.M., Шигапов З.Х. Полиморфизм фермента фзрмиатдегидрогеназы в популяции сосны обыкновенной в условиях промышленного загрязнения // Экологическая генетика растений, тавотных, человека. - Кишинев, Штиинца, 1991. -(J. 491-492.

8. Старова Н.В., Янбаев Ю.А., Адлер-Э.Н., Калаашик H.A., Шигапов Ii. X. Популяционные механизмы адаптации сосны обыкновенной в экстремальных условиях // П съезд ЕОФР (Минск, 1990): "он. докл. -!.;., 1992.

9. Шигапов о.X. Частота, самоопыления на лесосеменной плантации сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) // Генетика, селекция и биотехнология лесных древесных и травянистых растений. -Уфа, 1992. - С. 22-29.

10. Starova H.V., Yanbaev Yu.A., Shigapov Z.H., Bahtiyaro-va R.M. The preservation of genetic variability of natural populations of Pinus sylvestris L. as the basis for reproduction of gene pool// Eole of Botanic Gardene in Modern Urbanized fforLJ: Proo. IX Inter.Conf.Europ.-Medit.Div. of the Inter.Assoc. of Bot. Gar. (Tbilisi, 1991). - Tbilisi, 1991- - P. 74.

11. Yanbaev Y.A. , Shigapov Z.H. Genetic variability of i)cofcs pine (Pinus sylvestris L.) // Sei. Forest.: IUFRO's 2nd Centure: Proc. 19th World Congr. Div. 2: Int. Union Forest Res. Organ. (Montreal, 1990). - Montreal, 1990. - P. 581.

ГП «Принт» Зак. № 1 U Тира* 100 :>кз.