Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изучение генетического разнообразия природных популяций растений и его значение для адаптации к экстремальным факторам среды

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Изучение генетического разнообразия природных популяций растений и его значение для адаптации к экстремальным факторам среды"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ГЕНЕТИ КИ. И М.Н.И .В АВИ ЛОВ А

На правах рукописи

ФЕДОРЕНКО Ольга Михайловна

УДК: 575.174.015.3:574.23

ИЗУЧЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ РАСТЕНИЙ И ЕГО ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ АДАПТАЦИИ К ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ ФАКТОРАМ СРЕДЫ

03.00.15 - генетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1991

Работа выполнена в лаборатории экологической генетики Института общей генетики им.Н.И.Вавилова АН СССР

Научный руков одитель :

доктор биологических наук профессор В.А.ШЕВЧЕНКО

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук С.И.ДЕМЧЕНКО кандидат биологических наук К.И.АФАНАСЬЕВ

Ведущее учреждение - кафедра генетики МГУ

Защита диссертации состоится " ....."......................1991 г.

в .....часов на заседании специализированного совета по специальности 03.00.15 - генетика при Институте общей генетики им.Н.И.Вавилова АН СССР по адресу: 117809, ГСП-1, Москва, В-333, улГубкина, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей генетики им.Н Л.Вавилова АН СССР

Автореферат разослан ............................ 1991 года.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат биологических наук

Г.НЛояухина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение природных популяций растений и животных, обитающих в естественных экстремальных условиях среды, важно для выяснения генетических механизмов адаптации живых организмов к этим условиям. Актуальность этой проблемы возрастает в настоящее время в связи с усилением эффектов антропогенного воздействия и возрастанием опасности радиоактивного загрязнения окружающей среды. Поэтому.особую значимость приобретают вопросы оценки возможных генетических последствий действия ионизирующих излучений на природные сообщества. При этом важно проследить отдаленные генетические последствия действия радиации на популяции разных видов животных и растений. Авария на Чернобыльской АЭС явилась трагическим подтверждением возросшей опасности радиоактивного загрязнения окружающей среды. Обширная территория с радиусом в 30 км вокруг АХ имеет значительное превышение естественного радиационного фона вот уже на протяжении нескольких лет и стала своеобразным полигоном для изучения хронически облучаемых популяций.

Цели и задачи исследования. Основной целью нашей работы было изучение действия экстремальных факторов внешней среды и, "прежде всего, ионизирующего излучения, на природные популяции растений. Также мы стремились дать оценку отдаленных генетических последствий хронического облучения популяций.

Воздействие ионизирующей радиации больших мощностей доз в результате аварии является не типичным экстремальным фактором для живых организмов. Поэтому ыы сравнили генетическую структуру хронически облучаемых популяций и популяций, подверженных действию естественных экстремальных факторов среды, связанных с высо-

когорьем. Факторы высокогорья действуют на протяжении исторически длительного периода времени. Несомненно, они должны привести к эволюционным изменениям в генетической структуре обитающих там популяций. В связи с этим, в задачи исследования входило:

1) провести сравнительное изучение генетической гетерогенности горных популяций растений в зависимости от интенсивности воздействия высотных факторов гор;

2) определить уровень полиморфизма по ряду ферментных локу-сов в популяциях арабидопсиса, обитающего в условиях хронического облучения в зоне аварии на Чернобыльской АЭС;

3) исследовать характер и степень изменений в генетической структуре и уровне полиморфизма облученных популяций с течением времени.

Научная новизна. При изучении горных популяций растений- выявлены значительные различия по частоте встречаемости и высотная зональность электрофоретических фенотипов ферментных белков, контролируемых локусами Est-З у Hordeum bulbosun, Idh- , Аср-2 i Est-3 , Acp-4 , Ьар-1 , Pgm-3 И 6-Pgd у Arabidopsia thaliara.

Впервые проведены популяционно- генетические исследования арабидопсиса, обитающего в условиях хронического облучения в зоне аварии на Чернобыльской АЭС. Исследования начаты сразу после аварии, и изменения в генетической структуре популяций наблюдались на протяжении трех лет.

Сделан вклад в изучение иэоферментных систем арабидопсиса:

- впервые описаны изоферментные -системы 6-PGD и KDH , а также две наиболее анодные зоны активности АСР;

- получены новые данные, показывающие, что изоферменты анодной эстеразы контролируются одним локусом ( Est-З ) и ведут, себя как менделирующий признак с кодоминантным типом наследования двух ал-

лелей;

- генетический анализ Аср-2 выявил димерную структуру фермента;

- обнаружено тесное сцепление локуеов Аср-2 и Ьар-2, и отсутствие сцепления 1йЬ с ними.

Теоретическое и практическое значение работы. Полученные в работе результаты могут быть использованы для решения проблем, связанных с прогнозированием устойчивости природных популяций растений к экстремальным факторам среды, в том **исле к факторам загрязнения генотропными продуктами.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены и. обсуждены на Конференции молодых ученых Института общей генетики им. Н.И.Вавилова АН СССР (Москва, 1987); на II Всесоюзном.координационном совещании "Эколого-генетические последствия воздействия на окружающую среду антропогенных факторов" (Сыктывкар, 1989); на 1У Координационном совещании "Генетические аспекты воздействия радиации на популяции и экосистемы в связи с аварией на ЧАЭС" (Пущино, 1990); на Всесоюзном координационном совещании "Генетические последствия загрязнения окружающей среды мутагенными факторами" (Самарканд, 1990); на У Координационном совещании "Эколого-генетические последствия загрязнения окружающей среды в связи с аварией на Чернобыльской АЭС" (Минск, 1991).

Структура и об-ьем работы. Диссертация изложена на 133 страницах машинописного текста и состоит из введения, б глав, заключения, выводов и приложения, включает 29 таблиц и 9 рисунков. Список литературы включает 136 наименований, в том числе 50 на русском языке.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объекты исследования. Исследование проводили на природных популяциях двух видов растений. Один из них -АгаМДорэАа йтИ-апа (Ь.) НеупЬ. - модельный генетический объект. Арабидопсис достаточно хорошо изучен и имеет обширный ареал распространения, что позволяет сравнивать действие различных экстремальных факторов среды на популяционный полиморфизм этого вида. Второй вид -Ногйеиш Ьи1Ьо8шп Ь. Ячмень луковичный растет преимущественно в горах, хорошо приспособлен к горным условиям обитания и встречается в широком диапазоне высот над уровнем моря.

АгаЫаора1в -ЛаПана (Ь.) Неуп11. - небольшое однолетнее травянистое растение, имеющее прикорневую розетку листьев, один или более простьгх или ветвистых облиственных стеблей, увенчанных соцветиями в виде простой кисти с цветками белого цвета, обычного для крестоцветных строения; плод - стручок. Арабидопсис является преимущественно самоопыляющимся видом растений. Доля потомства от перекрестного опыления составляет всего около 1%. У него короткий жизненный цикл - 3-10 поколений в год (Иванов, 1974).

Ногйеша Ъи1Ьовит Ь. - злак, обладающий двумя способами размножения: половым, с-помощью семян, и вегетативным, формируя на нижних междоузлиях стеблей псевдолуковицы. Материнская луковица, с побегом вегетирует один год. У ее основания закладываются почки возобновления, дающие новые побеги, что создает видимость многодетности. По количеству и форме хромосом ячмень луковичный -автотетраплоид С 4 п = 28). В Средиземноморье обнаружены диплоидные ( 2п-= 14) формы этого вида ( Ыогг1зоп, 1959 ). Перекрестное опыление у Н.Ьа1Ъоаит является исключением (Трофимовскал,1972).

В связи с задачами исследования были выбраны две экологичес-

ки различающиеся зоны: горы Гиссаро-Дарваса и 30-ти километровая зона Чернобыльской АЭС. Исследованы 4 горные популяции Н. bulbo-еиш, обитающие в диапазоне высот 800 - 2400 м над уровнем ^оря. Растения A.thaliana анализировали из 4 горных популяций (диапазон высот обитания - 1200 - 3400 м н.у.м.), 16-ти популяций, произрастающих в зоне аварии на ЧАЭС и одной Московской популя-ции(р-он Строгино), В 30-ти километровой зоне ЧАЭС популяции подвергались хроническому воздействии ионизирующего излучения различных мощностей доз от 0,01 до 250 мр/час по гамма-излучению. Дозы от гамма-излучения рассчитывались по мощности экспозиционной дозы в воздухе, измеренной на поверхности почвы дозиметрами КРЕГ-1, ДП-5, ДКС-04.

Собранные семена ячменя луковичного проращивали в чашках . Петри на фильтровальной бумаге в термостате при 26 С. 10-дневные проростки анализировали методом электрофореза белков. Семена ара-бидопсиса проращивали в лабораторных условиях в смеси земли и перлита (I : I) под люминесцентными лампами. Листья взрослых растений брали на.анализ.

Методы исследования. Основной метод, который был использован в работе - электрофорез. Электрофоретическое разделение изо-ферментов и окрашивание блоков геля проводили по стандартной методике ( Shaw, Prassad, 1970; Корочкин и др., 1977) в вертикальном блоке полиакриламидного геля. Электрофорез шел в трис-ЭДГА-боратной буферной системе, pH 8,3 при напряжении 200 В в течение 2 - 2,5 часов. После электрофореза проводили гистохимическое окрашивание 9 ферментных систем: GOT, XDH, LAP, АСР, EST, 6-PGD, PGM, PRX, KDH. .

Для изучения генетического контроля некоторых ферментных ло-кусов растения арабидопсиса со специально подобранными фенотипа-

ми скрещивали по методике, описанной В.И.Ивановым (1974). Идентификацию локусов , Аср-2 , 1(111 , Ьар-2 И Еа1;-3 и выяснение характера наследования аллелей этих локусов проводили методом генетического анализа.

Частоту морфологических изменений арабидопсиса учитывали среди растений, выросших непосредственно на опытных участках в 1987 г. Анализировали по 100 растений из каждой популяции.

Математическую обработку данных проводили по общепринятой методике (Урбах, 1964.; Глотов, 1981). Значимость различий сравниваемых популяций по частотам электрофоретических морф оценивали с помощью критерия идентичности - I (Животовский, 1982). Для оценки генотипического разнообразия популяций использовали показатели: р - доля полиморфных локусов, Нож>- ожидаемая гетерози-готность ( Айала, 1984) и у11 ~ показатель внутрипопуляционного разнообразия (Животовский, 1982).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ .

Генетическое разнообразие горных популяций ячменя луковичного по четырем локусам эстеразы

Для изучения влияния комплекса высотных факторов гор на генетическую структуру популяций ячменя луковичного был проведен электрофоретический анализ эстераз.' Ферментная система эстеразы является удобной тест-системой для популяционно-генетических исследований, так как ферменты эстеразы отличаются высоким полиморфизмом и доступны для генетического анализа.

В данной главе представлены результаты изучения частот фенотипов локусов 2з-6-3 , Ез-Ь-4 , И Еа^Ь-б В горных ПОПУЛЯЦИЯХ Ногаеш Ьи1Ъовшп Электрофоретические исследования.выявили.

полиморфизм всех четырех локусов. По каждому локусу отмечены обычные и редкие фенотипы. Исследованные популяции статистически значимо различались по частотам представленных в них фенотипов. Частоты обычных фенотипов и значения критерия однородности приведены в таблице I.

Установлена корреляционная зависимость частот фенотипов 4,0 и 5,0 локуса Est-З (каждый фенотип включает гомозиготу и соответствующую гетерозиготу по нуль-аллелю) от высоты мест произрастания популяций: для фенотипа 4,0 г = 0,97, для фенотипа 5,0 г = -0,99 (в обоих случаях 5Й-ный уровень значимости). Но локусам Est-4 , Est-5 * Est-6 корреляция частот фенотипов с высотой произрастания не обнаружена. Факт существования градиента частот фенотипов 4,0 и 5,0 локуса Est-З дает основание предположить, что между аллелями локуса Est-З - 4,0 и 5,0 существуют различия по адаптивной ценности.

Для оценки и сравнения степени генетического разнообразия популяций использовали показатель внутрипопуляционного разнообразия jtj . Вычисления показали, что для каждого из четырех локусов большим разнообразием обладает популяция Гарм. Район г.Гарма характеризуется высокой сейсмичностью: по числу землетрясений в год - это одна из самых сейсмичных точек в мире (Гайский и др., 1968). В качестве одной из возможных причин повышенной изменчивости изоферментов эстераз в популяции Гарм могут быть сопутствующие землетрясениям гамма-излучения, повышенные концентрации радоновых вод, солей тяжелых металлов. К такому же выводу пришли Н.Н.Воронцов и Е.А.Ляпунова(1984), обнаружившие в популяциях EXlobiua talpinus в долине Вахша-Сурхоба (Памиро-Алай) высокие частоты робертсоновских транслокаций. Такую изменчивость хромосом авторы связывают с высокой сейсмич-

Таблица I

Частоты обычных фенотипов по 4 локусам эстеразы в горных популяциях ячменя луковичного

Локус

Популяция

Душанбе : Кондара. . . :. Гарм : Сия-Кух.

(800 м н.у.м.):(1200 м н.у.м.):(1800 м н.у.м.): (2400 м н.у.м.)

Критерий однородности

Еа^З 4,0 0,051 0,155 0,128 0,180

5,0 0,574 0,360 0,250 0,210

4,0/5,0 0,123 0,366 0,128 0,400

0,0 0,164 0,050 0,328 0,090

5,5 0,210 • 0,252 0,150 0,090

6,0 0,251 0,258 0,356 0,220

5,5/6,0 0,138 ■ 0,032 0,111 0,040

0,0 0,246 0,297 0,122 0,510

Еа1;-5 6,5 0,159 0,060 0,464 0,261

0,0 0,841 0,940 0,536 0,739

Est-6 7,0* 0,923 0,961 0,788 0,980

7,0** 0,065 0,029 0,166

7,0*** 0,012 0,047 0,020

0,0 0,010

X1- 130,15 А£ *> 9

27,88

Х.$м

I-аг

66,50 = 9 .

I

оэ

I

X.,,, = 27,88

75,89 й£ » 3 - 16,27

Хг=■ 52,70 &£ = 9

Х- т з 27,88

Примечание. Обозначение фенотипов дано по миграционному расстоянию в см; *- одиночная полоса; ** - двойная полоса; ***- тройная полоса.

ностью. Не исключаются и другие причины. По-видимому, более высокое внутрипопуляционное разнообразие в Гарме могло произойти за счет случайностей воспроизводства и/или быть результатом увеличения частоты перекрестного опыления из-за более плотного заселения территории растениями. Если исключить популяцию Гарм, которая обитает в условиях, отличающихся по комплексу экстремальных факторов от других популяций, то имеется незначительное, но статистически значимое увеличение внутрипопуляционного разнообразия по мере увеличения высоты над уровнем моря ( г = 0,999, Р = 0,03) (рисЛ). Допустив, однако, что сейсмичность не оказывает существенного влияния на уровень генетического разнообразия популяций,

Я

А у= 4,10 +0,04х г = 0,30,Р> 0,05

В у= 4,12+0,01*: г= 0,999,В= 0,03

800

1200

1800

2400 Высота н.у.м.(м)

Рисунок I. Зависимость между высотой произрастания и внутрипопу-ляционным разнообразием ячменя луковичного. А - общая линия регрессии; В - линия регрессии построена для несейсмичных зон.

б

5

зависимость jU от высоты мест обитания растений имеет вид кривой с максимумом в Гарме. На большой высоте - 2400 м н.у.м. -наблюдается спад внутрипопуляционного разнообразия- Таким образом, в условиях высокогорья уровень генетического разнообразия по 4 локусам эстеразы в популяциях ячменя луковичного увеличивается с увеличением высоты произрастания,по крайней мере до 1800 м н.у.м.

Характеристика исследованных изоферментных систем арабидопсиса

Популяционно-генетическое исследование арабидопсиса было начато с изучения изоферментных систем, поскольку имеющаяся информация в литературе не является исчерпывающей и, в некоторых случаях, не имеет четкой картины. Нами описаны 9 ферментных систем: got, 1ш, lap, аср, est, pgm, 6-pgd, pbx и kdh. Схематическое изображение всех выявленных изоферментов по каждой из этих систем дано на рисунке 2.

Результаты изучения got, idh, lap, pgm и prx согласуются с литературными данными. IDH и PRX имеют однолокусный контроль, а за наследование изоферментов got, lap и pgm отвечают по два локуса. Впервые описаны 6-PGD, KDH и наиболее подвижная зона активности эстеразы - est-э. Достаточно подробная характеристика кислой фосфатазы дана в работах ряда исследователей ( Grover, 1975;"Jacobs, Schwind, 1976; Fuglewicz, Kilian, 1985; Gomes, Abbott, 1987 ). Наши результаты несколько отличаются от'имеющихся в литературе. В частности, были обнаружены две быстромигрирующие зоны - Аср-4 и Аср-5, которые не описаны ранее. В спектре изоферментов растений, гетерозиготных по Аср-2 было выявлено по три полосы, что не соответствуефыводу Джакобса и Швинда ( Jacobs, Schwind, 1976 ) о мономерной структуре Аср-2.

По пяти зонам активности ферментов - iah, Got-1, Lap-2,

___ __, со-ь-г — ~ —

1<Й1- В __ ___— => ет __

— Со;Ь-1

1 2 3 4 5 6 1 2 3

Ьар-1 Est-3 —"

1 2 3 4 1 2 3

Р|?п-3 - — _

•Г,-Г,-а ЕЗ ЕЗ Э ® ЕЗ Р^-1 —.

12 3 4 5 12 3

Аср-5 , ~

Аер-4 Н — ' О а

Аср-3 — ___ _, —

Аср-2 """ ^ — — —-

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Рех

1 . 14 15 16 17 18 19 20

Рисунок 2. Электрофоретические спектры ферментных систем арабидопсиса.

Ев'Ь-З и Аср-2 быя проведен генетический анализ, в результате которого установлен однолокусный контроль каждой из них с кодо-минантным типом наследования аллелей (табл.2).

Таблица 2

Расщепление в потомстве растений арабидопсиса, гетерозиготных по некоторым ферментным локусам

Локус н р? РБ ! Стандартное значение х2

92 22 49 21 0,41

Ьар-2 92 25 44 23 0,25

91 39 - 3,84

Аср-2 27 25 2,01

» 2

Еа'Ь-З 88 20 46 22 1,91

40 13 21 6 2,55

Тестирование от двух гетерозиготных по трем локусам растений позволило выявить, что Ьар-2 и Аср-2 тесно сцеплены. В потомстве обоих растений двойных гомозигот (Ьар-г1^ - Аор-2Р:р, Ьар-2^ - Аср-2^ ) и гетерозигот ( Ъар-2?3 - Аср-2РЗ ) было значительно больше, чем ожидалось в предположении независимого комбинирования аллелей ( для растения »1 159,3, Р ¿1 0,001;

для растения К2 133,4, Р 0,001). Остальные комбинации

аллелей присутствовали в незначительном числе (1-3 при выборках 92 и 52) или отсутствовали совсем. Аналогичным методом было установлено, что 1й2а не сцеплен с Ьар-2 и с Аср-2.

Влияние факторов высокогорья на аллозимное разнообразие природных популяций арабвдопсиса

Выявление генетических механизмов реагирования популяций на

хроническое воздействие ионизирующего излучения и задача прогноза отдаленных генетических последствий являются наиболее актуальными и недостаточно исследованными проблемами радиационной и популяционной генетики. В.высокогорье на высоте около 3000 м над уровнем моря мощность дозы космического излучения имеет приблизительно такую же величину, как и в Чернобыле спустя 4 года после аварии ( 300 мбр в год). Изучив особенности генетической структуры высокогорных популяций, мы, таким образом, сможем сделать прогноз относительно возможных тенденций популяционных процессов в хронически облучаемых популяциях.

Эяектрофоретический анализ ферментного полиморфизма в горных популяциях арабидопсиса проводили по 8-ми ферментным системам: GOT, idh, Lap, АСР, EST, pgm, 6-pgd и KDH. Установлено, что из всех взятых в анализ зон активности ферментов семь обнаруживают изменчивость ( Idh, iap-1, Eat-3, Pgm-3, Acp-2, Acp-4, 6-Pgd ), а девять ( Lap-2, Got-1, Got-2, Pgm-1, Pgm-2, Acp-1, Acp-3. Acp-5, Kdh ) мономорфны во всех изученных популяциях. Оценку уровня генетического•разнообразия популяций проводили с использованием показателей: р - доля полиморфных локусов, jti -показатель внутрипопуляционного разнообразия. Результаты вычислений приведены в таблице 3. Полученные величины сопоставимы с литературными данными. Так, Гомес И Эбот ( Gones, Abbott, 1989 ) определили долю полиморфных локусов в Британских популяциях арабидопсиса, обитающего в оптимальных условиях: р = 0,175. Хамрик ( Hanrik et al., 1979 ) получил усредненную оценку этого показателя по 33 видам самоопыляющихся растений: р = 0,19. Из наших данных видно, что популяции, произрастающие на высоте до 2300 м над уровнем моря имеют уровень полиморфности, не превышающий таковой у арабидопсиса и других самоопылителей в оптимальных уело-

Таблица 3 Доля полиморфных локусов и внутрипопуляционное разнообразие в горных популяциях арабидопсиса

Популяция

Высота н.у.м.,

95% критерий : 99% критерий

у

М

м

Кондара 1200 0 0,125 1,04

Сорбо 2200 0,063 0,188 1,11

Кухи-Лал 2300 0,063 0,188 1,08

Шохдара 3400 0,188 0,250 ' 1,22

Коэффициент 0,97 0,99 С150

корреляции Р ^ 0,001 Р ^ 0,001 Р^ 0,01

*

г - вычислен путем объединения данных по 7 полиморфным локусам.

витс. На высоте 3400 м доля-полиморфных локусов достигает величины 0,25. Из таблицы 3 также можно заметить, что с увеличением высоты произрастания над уровнем моря увеличивается генотипичес-кое разнообразие популяций. Коэффициенты корреляции доли полиморфных локусов с высотой равны соответственно 0,97 при 95^-ном критерии и 0,99 при'99Й-ном критерии. Корреляция статистически значима ( Р ^ 0,001). Коэффициент корреляции уи с высотой равен 0,50, Р ^ 0,01.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о,том, что с усилением действия экстремальных факторов высокогорья (• с увеличением высоты над уровнем моря) з популяциях арабидопсиса повьшается уровень белкового полиморфизма,-

Генетическое и морфологическое разнообразие популяций арабидоп-сиса, подвергающегося хроническому воздействию ионизирующего излучения в зоне аварии на Чернобыльской АЭС

В отличие от экстремальных условий высокогорья, в зоне аварии на ЧАЗС сравнительно■однородные климатические условия обитания популяций сопровождаются значительно более сильными различиями з урознях радиоактивного загрязнения (по сравнению с различиями з мощности дозы космического излучения на разных высотах над уровнем моря). Поэтому следует ожидать, что изменения з генетической структуре популяций в большей мере будут обусловлены радиационным фактором, недели географическими и климатическтаы различиями.

Как известно, радиация вызызает соматические и генетические эффекты у живых организмов. Возникновение морфологических изменений при облучении семян ара^идопсиса наблюдали В.И.Иванов ( Ггапоу, 1969 ) и Рейнхольц { Незл}го12, 1972 ). Причем, как наиболее часто встречающиеся морфозы, они отмечали многостебельча-тке формы и фасциации.

Мы изучали тератогенное действие радиоактивного загрязнения на следующий год после азарии (1957 г.). Вероятно мы тлели смесь вновь появившихся морфозов и мутантов от предыдущего поколения Выявленные редкие морфологические изменения арабидопсиса представлены на рисунке 3. Показано, что сущсстзует зависимость между уровнем радиационного загрязнения участков и частотой морфозов в популяциях арабидопсиса. Эта зависимость хороню аппроксимируется регрессионным уравнением следующего вида:

Рисунок 3. Типы морфологических изменений арабидопсиса, обитающего' в зоне аварии на ЧАЭС: 1 - карликовость, . 2 - фасциации, 3 -растения с двойной розеткой, 4-7 -крутые изгибы побегов (петлеобразные, спиралевидные, закрученность верхней части побега и др.

Рисунок 4. Зависимость между уровнем радиационного загрязнения участков и частотой урод-ливкх растений в популяциях арабидопсиса.

-1.7 -.7 .3 1.3 2.3 3.3

^ (мощность дозы, мр/час)

где' ^ - частота морфозов, а х - мощность дозы. Коэффициент корреляции (по сумме всех типов морфологических изменений) равен 0,37, Р г: 0,001 (рис.4). Представленные результаты позволяют считать ионизирующее излучение одним из главных факторов морфологических изменений растений.

Популяционно-генетические эффекты в хронически облучаемых популяциях арабидопсиса изучали на протяжении трех лет (1986 -1938 г.г.), используя метод электрофореза. 16 популяций сравнивали по изоферментному разнообразию девяти ферментных систем. В окончательный анализ были взяты 17 хорошо читаемых зон активности ферментов: 1сШ, бо1;-1, Со-6-2, Ьар-1, Ьар-2, Аср-1, Аср-2, Аср-3, Аср-4, Аср-5, Еа1:-3, Р^ш-Т, Рвш-2, Р®а-3, 6-Ре<1, К<1& И Ркс. Из них 13 оказались полиморфными, а<к>1;-2, Аор-5, Рда-г и КсШ - мономорфны во всех обследованных популяциях. Популяции

значительно различались по частотам представленных в них фенотипов. Для того, чтобы определить степень генетической дифференциации их были вычислены значения генетического сходства. В большинстве случаев выявлены достоверные различия между популяциями. Кластерный анализ ( Sokal, Rohlf., 19S1 ) также показал, что между популяциями существуют большие различия и вьделить какие-либо группы со сходным фенотипическим составом не удается. Проверка на "наличие корреляционной связи генетического сходства между параш популяций с географическими расстояниями между ними такую зависимость не выявила. Следовательно, генетические различия изучаемых -популяций не связаны с географическим расположением их.

Для оценки уровня генетической гетерогенности популяций использовали показатели: доля полиморфных локусов (р) при 95%-ном критерии, ожидаемая гетерозиготность (Нож ) и показатель внутри-популяционного разнообразия (JU )(табл.4). Доля полиморфных локусов варьировала в широких пределах: от 0 до 0,65 со средним значением 0,37. К сожалению мы не знаем, каков был уровень'лолимор-. физма в изучаемых популяциях до аварии, однако,столь высокая степень генетического разнообразия не свойственна для самоопыляющихся видов растений. Высокий уровень полиморфизма в Московской популяции .(0,65) можно объяснить влиянием индустриального загрязнения среды. В литературе имеются подобные данные о-существовании прямой корреляционной зависимости индексов генетического разнообразия популяций арабидопсиса от степени индустриального загрязнения воздуха ( Kilian, Maluszynski, 1985 ). В среднем по всем популяциям полиморфность была выше в 3986 г. (0,50); в последующие годы происходит некоторое снижение уровня полиморфизма. Та же. тенденция отмечена в популяции Толстый лес, изучаемой на протяжении трех лет и в 1986 г- подвергавшейся воздействию ионизирую-

Таблица 4

Уровень генетического разнообразия в популяциях арабидопсиса, обитающего в зоне аварии на. ЧАЭС

Год исследования Р Ной.

:Стечанка: Толстый лес*: -Р ■ Стечанка: Толстый лес! Нож. Стечанка;Толстый лес:

1986 0,57 0,50 0,198 0,182 Г,27 1,23

1987 0,65 0,47 0,31 0,221 0,134 0,102 1,40 1,18 1,14 ,

1980 0,63 0,25 0,44 . 0,242 0,070 0,157 1,33 1,10 1,18 3

I

Коэффициент' -0,97 -0,£2" -0,60 -0,56 : -0 ,С7 —0|£5

корреляции . Р = 0,13 Р>0,05, Р>0,05 Р>0,05 . "" Р^С,001 Р>0,05

Примечание. * - коэффициент корреляции вычислен путем объединения данных по 17 локусам, ** - радиационный фон в Стечанке в 1987 г. - 0,02 мр/час, *** - в 1986 г. популяция подвергалась воздействию ионизирующего излучения высокой мощности дозы - 240 мр/час.

. - 20 -

щего излучения высокой мощности дозы - 240 мр/час. Однако, как в том, так и в другом случае различия популяций по показателю р не значимы (см. табл.4). Сходным образом отражают изменение уровня генетической гетерогенности показатели Нож и ун . Все они показали высокую степень полиморфизма в 1986 г. сразу после аварии, т.е. у потомства облученных растений, причем уровень поли-морфности бьш значительно выше по сравнению с популяциями, обитающими в оптимальных условиях и в высокогорье. Возможно воздействие ионизирующего излучения в результате аварии вызвало мощное усиление мутагенеза и рекомбиногенеза. Однако, такой же высокий уровень полиморфизма в контрольной популяции из Москвы не позволяет утверждать, что именно влияние повышенной радиоактивности является причиной высоких значений показателей генотипического разнообразия. Не исключено, что высокий уровень полиморфизма существовал в обследованных популяциях изначально.

Исходя из существующего мнения, что у преимущественно.самоопыляющихся видов растений генотип организован на основе коадап-тированных комплексов аллелей, был проведен поиск парных ассоциаций неаллельных генов. В результате обнаружено неравновесие по сцеплению в 7 популяциях для 14 пар локусов. Наиболее распространена ассоциация локусов Со1;-1 - 1<зь. Она встречается в 5 популяциях. Количество пар локусов, имеющих неравновесие по сцеплению дано в таблице 5 для каждой популяции. Из таблицы видно, что число парных ассоциаций аллелей, достоверно отличающихся от слу--чайного комбинирования, выше при низких мощностях доз ионизирующего излучения. Самое большое - 7, в популяции Стечанка 1987 г. В 1938 г. их стало меньше - 3. Возможно воздействие ионизирующей радиации разрушает генетическую коадалтацию генов.

В целом, полученные данные свидетельствуют о том, что уро-'

Таблица 5 Неравновесие по сцеплению в популяциях арабидопсиса, обитающего

в зоне аварии на ЧАЭС

Год Мощность : Число пар локусов,

Популяция : исследо- дозы, : имеющих неравновесие по

вания мр/час : сцеплению (из 78 возможных)

Чернобыль Т'6 1936 7 4

Чернобыль £7 10 0

Заполье 10 С

Лелев 60 0

Толстый лес 240 I

Стечанка 1937 0,02 7

Опачичи 0,1 0

Чернобыль 0,3 0

Толстый лес 2,5 3

Янов 12-0 7 0

Янов 12-1 12 0

Шепеличи 17 3

Янов 12-2 24 2

Янов 12-3 130 0

Янов 12-4 250 с

Стечанка 1933 • 0,01 3

Толстый лзс I 0

Янов 12-6 (озимые формы) 50 2

Янов 12-6 (яровые формы) 50 0

'«осква (р-он Строгино) 1937 0,01 I

вень генетического полиморфизма в обследованных популяциях арабидопсиса, первоначально очень высокий, имеет тенденцию к постепенному снижению во времени.'

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, при изучении генетической структуры популяций растений, обитающих в экстремальных условиях высокогорья было обнаружено, что возрастание интенсивности действия высотных факторов гор' - резкие суточные и сезонные колебания температуры, недостач ток кислорода, жесткие ультрафиолетовые лучи и космическое излучение, - приводит к увеличению генетического полиморфизма.

Следует учитывать, что факторы высокогорья действуют на протяжении исторически длительного периода времени и определенные микроэволюционные адаптивные изменения в генетической структуре ■ обитающих там популяций уже произошли. Авария на Чернобыльской АЭС случилась сравнительно недавно. В 30-ти километровой зоне ЧАЭС популяции подвергаются хроническому воздействию ионизирующего излучения различных мощностей доз, при этом для контрольных (необлученных) и опытных (хронически облучаемых) популяций экологические факторы приблизительно одинаковы. Вероятно адаптивные процессы в этих популяциях только начались.

Изучение популяций арабидопсиса, обитающего р зоне аварии показало, что сразу после аварии уровень полиморфизма был значительно выше по сравнению с-популяциями арабидопсиса, обитающего „в оптимальных условиях и в высокогорье. При изучении уровня полиморфизма облучаемых популяций на протяжении трех лет обнаружена тенденция к его снижению. Одновременно наблюдается снижение числа пар локусов, имеющих неравновесие по сцеплению. При этом число разных ассоциаций аллелей выше при низких мощностях доз и

нижа,при высоких. Эти результаты позволяют предположить, что высокие уровни радиоактивного загрязнения вызывают нарушение парных ассоциаций аялелей, т.е. приводят к разрушению адативных комплексов генов. Как правило, при этсм генетическая изменчивость возрастает. 3 наших исследованиях, с одной стороны, наблюдается увеличение частоты морфологических изменений растений с увеличением мощности дозы ионизирующего излучения, часть из которых вероятно имеет мутационную природу, с другой - снижение генетической изменчивости по 9-ти ферментным локусам с течением времени. По-видимому, давление естественного отбора, усиленное действием .радиации, элиминирует большинство генотипов, возникающих при дезинтеграции генных" комплексов.

Таким образом, наши исследования позволили выявить лишь начальные процессы адаптации популяций арабидопсиса в условиях хронического облучения. Какова будет направленность этих процессов в.дальнейшем - нэ ясно. Однако, учитывая выявленные закономерности популяционной структуры в условиях высокогорья, можно предположить, что генетический полиморфизм популяций, обитающих в условиях сильного радиоактивного загрязнения, повысится, достигнет' первоначального'уровня или даже превысит его за счет,усиления интенсивности мутационного процесса.

ВЫВОДЫ

1. Выявлены значительные различия по частоте встречаемости и высотная зональность электрофоретических фенотипов ферментных белков, контролируемых локусами Est-З У Hordeua bulbosum и Idh, Аср-2, Est-З. Аср-4, Ьар-1, Pga-З И б-Pgd- у Arabidopsis thaiiana.

2. Установлена прямая корреляционная зависимость уровня по-

лшорфкэма исследуемых популяций от высоты мест обитания их над уровнем моря; коэффициенты корреляции статистически значимы (для Hordeun bulbosum Р = 0,03, для Arabidcpsis thaliana P^O.OCD.

3. Наибольшим генетическим разнообразием по 4-м локусам эс-теразы обладает популяция Н. bulbosum обитающая на высоте

1800 м и подвергающаяся кроме комплекса факторов высокогорья, также и сейсмическим воздействиям.

4. Результаты электрофоретического анализа 9-ти ферментных систем арабидопсиса позволили сделать следующие выводы:

а) генетический анализ локуса Аср-2 показал димерную структуру фермента, что не соответствует выводу Джанобса и Швинда (Jacobs, Schwind,1976 ) о мономерной структуре его;

б) впервые описана наиболее подвижная зона активности эстеразы. С помощью генетического анализа' установлен однолокусный контроль 'Est-З с двумя кодоминантными аллелями;

в) обнаружено тесное сцепление локусов Lap-2 и Аор-2 и отсутствие сцепления Idh с ними.

5. В популяциях арабидопсиса, обитающего в зоне-аварии на на ЧАЭС, установлена прямая корреляционная зависимость между уровнем радиационного загрязнения участков и частотой морфологических изменений растений.

6. Выявлены неслучайные ассоциации 14 пар неаллельных генов в 7 популяциях арабидопсиса, обитающего в зоне аварии, причем число разных комбинаций аллелей выше при низких мощностях доз

■ионизирующего излучения и ниже при высоких.

7. Анализ генотипического разнообразия в популяциях арабидопсиса показал, что наблюдаемый полиморфизм очень высокий сразу после аварии, имеет тенденцию к снижению .в течение последующих трех лет.

- 25 -

8. Отмечена тенденция к снижению числа парных ассоциаций неаллельных генов в популяциях арабидопсиса на протяжении трех лет

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Федоренко О.М., Шевченко В.А., Митин А.Н. Генетическое разнообразие горных популяций ячменя луковичного ( Ногаеип Ъи1Ъовия ь.) по четырем локусам эстеразы// Генетика. 1988. №1. С.110-117.

2. Федоренко О.М. Географический полиморфизм горных популяций ячменя луковичного по некоторым биохимическим и морфологическим признакам // Индуцированный мутагенез и принципы мутационной селекции многолетних злаковых трав. Петрозаводск, 1988. С.132-146.

3. Федоренко О.М. Высотный градиент аллельных частот локуса Ез1;-3 у дикого ячменя ( Ногаеаи Ьц1Ьозшп ). Тез.докл. на У съезде ВОГиС. И., 1987.

4. Федоренко О.М., Котлярова Е.Б., Шевченко В.А. Генетическое разнообразие популяций арабидопсиса, подвергающихся хроническому воздействию ионизирующего излучени. Тез .'докл. на II Всесоюзн. ко-ординац. совещании "Эколого-генетические последствия воздействия на окружающую среду антропогенных факторов". Сыктывкар, 1989.

5. Абрамов В.И., Яилова И.Н., Федоренко О.М., Шевченко В.А. Динамика мутационного процесса в хронически облучаемых популяциях арабидопсиса. Тез.докл. на II Всесоюзн. координац. совещании "Эколого-генетические последствия воздействия на окружающую среду антропогенных факторов". Сыктывкар, 1989.

6. федоренко О.М., Котлярова Е.Б., Шевченко В.А. Влияние хронического облучения на биохимическую изменчивость популяций арабидопсиса. Тез. докл. на I Всесоюзн.радиобиологич. съезде. М., 1989.

7. Федоренко О.М., Шевченко В.А. Генетические эффекты в природ-

ных популяциях растений при действии экстремальных факторов среды. Тез.докл. на Всесоюзн. координац. совещании "Генетические последствия загрязнения окружающей среды мутагенными факторами". Самарканд, 1990.

8. £едоренко О.М. Генетическое разнообразие в хронически облуча-' емых популяциях. Тез.докл. 'на I Всесоюзн. симпозиуме "Молекуляр-но-клеточные механизмы хронического действия ионизирующих излучений на биологические системы". Пущино, 1990.

9. Abranov V.X., Fedorenico O.K., Shevchenko V.A. Genetic consequences of radioactive contamination of arabidopsis populations // Arabidopsis Information Service. 1990. ÏÏ27. P.19-20.

10. Abranov V.I., Feforento 0.11., Shevchenko V.A. Genetic consequences of radioactive contamination for populations of Arabi-dopsie// The Sience of the Total Environment. 1991 ( В печати).