Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Популяционная изменчивость монотерпенов и изоферментов лиственницы Сукачева в Башкирии

ВАК РФ 06.03.01, Лесные культуры, селекция, семеноводство

Автореферат диссертации по теме "Популяционная изменчивость монотерпенов и изоферментов лиственницы Сукачева в Башкирии"

Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации УРАЛЬСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ ЛЕНИНСКОГО КОМСОМОЛА

На правах рукописи

ТИМЕРЬЯНОВ АЗАТ ШАМЙЛОВИЧ

УДК 630.165: 582. 475. 2

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ МОНОТЕРПЕНОВ И И30ФЕРМЕНТ0В ЛИСТВЕННИЦЫ СУКАЧЕВА В БАШКИРИИ

06.03.01. - лесные культуры, селекция, семеноводство и озеленение городов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Екатеринбург - 1993

\

Работа выполнена в Ботаническом саду-институте Уфимского научного центра РАН

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор биологических наук, профессор Старова К В.

доктор биологических наук, Семериков Л. Ф.

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Хасанов Н X Башкирская лесная опытная станция РНИИЛМ

Защита диссертации состоится "_22_"_апреля_1993 г.

в _10_ часов на заседании специализированного совета

К 063. 35.01 по присуздению ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук по специальности Об. 03.01 - "Лесные культуры, селекция,' семеноводство и озеленение городов" в Уральском ордена Трудового Красного Знамени лесотехническом институте имени Ленинского комсомола (620032, г.Свердловск, Б-32, Сибирский тракт, 37)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института ■ Автореферат разослан "ЛО "_марта_1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

В. А. Шаргунова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время под влиянием антропогенного воздействия происходит истощение генетических ресурсов лесов на Урале, снижается их устойчивость и продуктивность. Резкое сокращение ареала лиственницы Сукачева в Башкирии делает особенно важной задачу рационального лесопользования, сохранения й воспроизводства генетического разнообразия вида. Исследование генетической структуры популяций лиственницы Сукачева, закономерностей микроэволюционных процессов является основой сохранения генофонда этой ценной лесохозяйственной породы. Комплексное изучение главных лесообразующих пород на популяционном уровне при помощи различных методов одновременно является перспективным, интенсивно развивающимся направлением в современном лесоведении, подводит теоретическую основу для создания высокопродуктивных насаждений.

Дель и задачи, исследований. Основной целью исследований является изучение внутривидовой изменчивости лиственницы Сукачева в Башкирии на разных уровнях: генном и метаболическом.

В задачи исследования входило:

1. Исследование методом газожидкостной хроматографии изменчивости относительного содержания монотерпэнов в коре однолетних побегов.

2. Исследование методом электрофореза генетического контроля изоферментов.

3. Анализ характера генетической изменчивости и пространственной дифференциации лиственницы Сукачева по относительному содержанию монотерпенов и частотам аллелей изоферментных локусов в четырех местных популяциях.

Научная новизна. Впервые проведены исследования изменчивости лиственницы Сукачева в Башкирии методом газожидкостной хроматографии монотерпенов. В коре однолетних побегов лиственницы'

Сукачева обнаружено 33 терпена, в том числе 13 монотерпенов. Преобладающими компонентами у изученного вида являются o^jg-пинены, д*-карен. Исследованные 4 популяции лиственницы Сукачева достоверно различаются между собой по монотерпенному составу.

Впервые исследованы 7 ферментных систем лиственницы Сукачева ( ДАТ, DIA, SKDH, 6-PGD, G-6-PDH, SOD, FDH ) в популяциях Башкирии. Изучен генетический контроль и уровень полиморфизма 19 ло-кусов, контролирующих 11 ферментных систем.

Показано, что для популяций лиственницы Сукачева в Башкирии характерен пониженный уровень генетического разнообразия по сравнению с другими видами лиственниц. Методом изоферментного анализа определена дифференциация четырех фенотипически различающихся популяций по уровню генетической изменчивости.

Установлено, что высокогорные насаждения обладают повышенным уровнем полиморфизма. Самый низкий уровень изменчивости среди изученных популяций показывает предуральскап популяция лиственницы Сукачева.

Практическая ценность. Полученные данные по основным генетическим показателям популяций дают возможность обосновывать принципы рационального лесопользования, сохранения и воспроизводства их ценного генофонда. Результаты исследований уровней генетической изменчивости и дифференциации.популяций используются для оценки их перспективности в селекционном плане с целью выделения генетических резерватов, обоснования практических мероприятий по сохранению генетического разнообразия природных популяций.

Выполненная работа являлась частью темы "Изучение генофонда лесов Башкирии и разработка селекционных программ их генетического улучшения", включенной в комплексную программу "Урал-экодо-ГИЛ".

'Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на Международном симпозиуме ИЮРРО "Лесная генетика, селекция и физиология древесных растений" (Воронеж, 1989), на IV Всесоюзном со-

вещании "Хемосиетематика и эволюционная биохимия растений" (Москва, 1990), на IV Всесоюзной конференции "Экологическая генетика растений, животных, человека" (Кишинев, 1991), на Международном симпозиуме "Лесная генетика: охрана, воспроизводство и рациональное использование генетических ресурсов" (Уфа, 1991), на научной конференции Башкирского научного центра "Изучение, охрана и рациональное использование природных ресурсов" (Уфа, 1991), на международной научной конференции "Проблемы лесной биогеоценологии и методологические основы их решения" (Йошкар-Ола, 1992), на научно-практической конференции "Проблемы восстановления лесов на Урале" (Екатеринбург, 1992).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 9 печатных работах, 1 работа находится в печати.

Структура и объем работы. . Диссертация состоит из введения, четырех глав (I - обзор литературы, II - район, объекты и методы исследования, III - IV - результаты и обсуждение), выводов, списка литературы и приложения. • Работа изложена на 157 страницах машинописного текста и включает 21 таблицу, 22 рисунка. В списке литературы 227 работ, из них 116 иностранных авторов. Приложение состоит из 5 таблиц.

ГЛАВА 1. МОНОТЕРПЕНЫ И ИЗОФЕРМЕНТЫ РОДА LARIX MILL.

(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Анализируются литературные данные по изучению изменчивости состава монотерпенов лиственниц, генетической обусловленности их биосинтеза. Показано, что монотерпены используются в качестве биохимических маркеров при исследовании внутривидовой изменчивости хвойных видов. Приводятся примеры использования изоферментов для изучения генетической структуры и механизмов микроэволюции природных популяций хвойных.

ГЛАВА 2. РАЙОН, ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Южный Урал в пределах Башкирии . характеризуется многообразными природно-климатическими условиями и лесорастительными районами. В качестве объектов исследования выбраны природные популяции лиственнницы Сукачева в Башкирии, выделенные ранее на основе комплекса морфологических признаков /Путенихин, Старова, 1991/, рассмотрен таксономический ранг лиственницы СукачеЕа(ЬаПх sukaczewii Dyl.) и ее современное положение в регионе.

Было заложено 5 пробных площадей в 4 популяциях лиственницы Сукачева и одна пробная площадь в насаждении лиственницы сибирской в Красноярском крае.

Монотерпепный состав коры однолетних побегов идентифицировался методом газожидкостной хроматографии по методике /Колесникова, 1985/, дополненной нами/Юмадилов и др. ,1991/. Определялся качественный состав и относительное содержание монотерпенов у 70 деревьев каждой пробной площади. Разделение изоферментов эндоспермов и зародышей семян у 40 деревьев с пробной площади проводился при помощи диск-электрофореза в вертикальных блоках 7,5% полиакриламидного геля с pH разделяющего геля 8,9 /Davis,1964/. о Исследовались изоферменты аспартаминотрансфераза (2.6.1.1.), лейцинаминопоптидаза (3. 4.11.1), малатдегидрогеназа (1.1.1.37.), диафораза (1.6. 4.3.), шикиматдегидрогеназа (1.1.1.25), 6-фосфог-люконатдегидрогеназа (1.1.1. 44.), кислая фосфатаза (3,1.3.2.), глхкозо-б-фосфатдегидрогеназа (1.1.1. 49.), глутаматдегидрогеназа (1.4.1.2.), супероксиддисмутаза (1.15.1.1.), формиатдегидрогеназа (1.2.1.2.). Генетический контроль ферментов изучался по литературным данным и при исследовании расщепления аллелей гетерозиготных локусов /Bergmann,1974/.

Обработка полученных данных проведена одномерными и многомерными статистическими методами на ЭВМ ЕС-1045 и IBM РС/АТ-286.

ГЛАВА III. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ МОНОТЕРПЕНОВ ЛИСТВЕННИЦЫ СУКАЧЕВА

3.1. Монотерпенный состав вида в Башкирии

Средние значения содержания основных монотерпенов коры однолетних побегов лиственницы Сукачева в Башкирии по популяциям и лиственницы сибирской в Красноярском крае даны в табл. 1.

Таблица 1

Содержание основных монотерпенов, Z

Популяции Средние Листвен-

Моно- по ница

терпены высоко- цент- прецу- марги- четырем сибир-

горная ральная ральская нальная популяц. ская

0(-пинен 13,23 10,60 14,22 11,66 12,43 20,68

Камфен 11,27 8,95 8,39 12,04 10,16 14,91

£-пинен 19,91 25,54 26,09 29,97 25,38 17,04

3 д-карен 45,31 45,13 38,63 36,57 •41,41 34,28

Прочие мо -

но'терпены 10,28 9,78 12,67 9,76 10.62 8,43

Примечание: прочие монотерпены - сантен, трициклен, фенхен, о(-терпинен, лимонен, jj-фелландрен, ¿f-терпинен, n-цимол, терпи-нолен.

В результате газохроматографического анализа в коре однолетних побегов лиственницы Сукачева было обнаружено 33 терпена, из них 13 монотерпенов; в коре лиственницы сибирской 37 терпенов, из них 13 монотерпенов. Эти монотерпены по порядку выхода из колонии

следующие: сантен, трициклен, о(-пинен, фенхен, камфен, й-пинен, з

Д-карен, о^терпинен, лимонен (дипентен), ^3-фелландрен, /*-тер-пинен, п-цимол, терпинолен.

Качественный состав монотерпенной фракции всех проб одинаков. Превалирует содержание^- и jj-пиненов, д3-карена, камфена -они составляют до 90% от общего содержания.

Большой процент содержания Д-карена - 35-45%, у отдельных деревьев до 60% .- является отличительным признаком лиственницы Сукачева /Латыш,1979; Колесникова,1985/. По значениям относительного содержания и коэффициентам вариации монотерпенов популяции лиственницы Сукачева достоверно различаются между собой. Выборка лиственницы сибирской по этим же показателям отделяется от башкирских популяций лиственницы Сукачева иф при Р95% - 2,81 и 14,31 при tst - 1,96).

3.2. Внутрипопуляционная изменчивость лиственницы Сукачева по монотерпенному составу

• Мелду компонентами были обнаружены только средние и слабые корреляционные связи. Существует отрицательная зависимость между содержанием р-пинена и Л-карена (г - -0,49-0,82). Общих закономерностей корреляционных связей не прослеживается.

Для группировки полученных данных монотерпенного состава лиственницы Сукачева в виде вариационного ряда использовались гистограммы, чормы гистограмм процентного содержания и величины крайних значений отличается по популяциям - общие закономерности не обнаружены.

Одним из показателей при изучении структуры популяций является частота встречаемости хемотипов /Чудный,1978,1984; Черноду-бов и др. ,1990/. По результатам-корреляционного анализа выявлено три биогенетических компонента монотерпенного состава лиственницы Сукачева: ot-пинен, камфен, ji-пинен, мало зависящих друг от дру-

га Далее, учитывая распределение деревьев по содержанию этих трех компонентов, были определены параметры выделяемых групп биосинтеза монотерпенов (табл.2). Эти параметры условны по причине отсутствия закономерностей в распределении деревьев по содержанию монотерпенов. По образовавшимся восьми хемогруппам - сочетаниям с низким или высоким содержанием каздого компонента - подсчитаны частоты встречаемости деревьев по популяциям (табл.3). Прослеживаются межвидовое и межпопуляционное различия по этому показате-

Таблица 2

Параметры хемогрупп биосинтеза монотерпенов Монотерпены Содержание монотерпенов по хемогруппам, 7.

I II III . IV V VI VII VII

о^-пинен «15 >15 ч<15 «15 >15 >15 «15 >15

камфен «15 «15 >15 «15 >15 «15 >15 >15

$-пинен «22 «22 «22 >22 «22 >22 ■ >22 • >22

лю. При высоких величинах частот встречаемости деревьев лиственницы Сукачева наблюдаются низкие частоты у лиственницы сибирской; у лиственницы Сукачева отсутствует V хемогруппа с высоким содержанием о(~пинена и камфена и низким - ^-пинена. Отличаются величины частот встречаемости хемогрупп между популяциями изучаемого вида. В маргинальной и высокогорной популяциях представлены 7 хемогрупп, в предуральской - только 4. Однако выделенные хемогруппы не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к хемотипам /Чудный, 1978,1984; Кинтя и др. ,1990/. Причинами этого являются слабая корреляционная зависимость компонентов друг от друга, отсутствие закономерностей их взаимосвязи по популяциям.

При анализе данных по высокогорной популяции, взятой в качестве примера, методом главных компонент определено, что первая'

Таблица 3

Частоты встречаемости хемогрупп биосинтеза монотерпенов

Хемогруппы II 0 п у л я ц И и

Высоко- Централь- Предураль- Маргиналь- Красно-

горная ная ская ная ярская

I 0,465 0,300 0,122 0,070 0,014

II 0,141 0,014 0,189 0,028 0,427

III 0,099 0,028 - 0,028 0,067

IV 0,225 0,629 0,432 0,600 0,053

V - - - - 0,293

VI 0,028 0,028 0,257 0,100 0,093

VII 0,028 - - 0,143 0,028

VIII 0,014 - - 0,028 0,028

главная компонента связана с камфеном и ;6-пиненом, вторая - с £-пиненом и А3-кареном, третья - с й?-кареном и о(-терпиненом. Первые три главные компоненты охватывают 68,9% всей изменчивости популяции, а их основные составляющие - камфен, £-пинен, Д3-карен определяют расположение деревьев по осям главных компонент. Однако расположение деревьев на плоскости 1 и II, 1иШ, Пи III главных компонент не имеют обших черт - образуемые группы и подгруппы распадаются и образуются новые. Аналогичные результаты получены и по остальным популяциям. Слабая корреляционная связь между содержанием отдельных компонентов не позволило выделить хе-мотипы и методом главных компонент. Возможно, это связано с видовыми особенностями лиственницы Сукачева, ее пониженным полиморфизмом.

Для решения проблемы хемосистематики вида необходимо расши-

рить районы исследований, обьем изучаемого материала, отбирать различные органы и ткани деревьев и в то же время глубоко исследовать генетическую обусловленность биосинтеза монотерпенов, их взаимосвязь на межпопуляционом и внутрипопуляционном уровне.

3.3. Внутривидовая изменчивость лиственницы Сукачева по монотерпенному составу

Для оценки внутривидовой изменчивости вида использовались показатели сходства г и разнообразия /Д /Животовский, 1979,1980/. По среднему числу морф наиболее изменчива выборка лиственницы сибирской (табл. 4).

Среди башкирских популяций лиственницы Сукачева более высокие значения среднего числа морф и доли редких морф в высокогорной и маргинальной популяциях, наименьшие значения - в преду-ральской популяции.

На дендрограмме, построенной по показателям сходства г популяции с большими значениями показателей разнообразия расположены дальше от друга (рис.1). Удалена от башкирских популяций лиственницы Сукачева лиственница сибирская, обособлены высокогорная и маргинальная популяции. Различия между всеми выборками значимы при Р95%.

Евклидовы расстояния подсчитаны по средним арифметическим значениям относительного содержания монотерпенов популяций /Животовский, 1982; Мартынов и др. ,1983/. По этому показателю лиственница сибирская удалена от лиственницы Сукачева, а высокогорная популяция обособляется от остальных выборок (рис.2).

При построении дендрограммы расстояний Махаланобиса, подсчитанных по данным относительного содержания монотерпенов деревьев в популяциях, обнаружена схожая картина. Наиболее удаленными выборками была популяция лиственницы сибирской, а среди башкирских популяций лиственницы Сукачева - высокогорная (Рис.3).

Таблица 4

Показатели вкутрипопуляционного разнообразия

Показатели, рассчитанные по частотам встречаемости

хемогрупп биосинтеза монотерпенов

аллелей изсферментных локусов

Популяции Пробные площади

среднее число морф Я

доля редких морф Ь

среднее число доля редких

морф Я

морф Ь

0

1

Высокогорная

Высокогорная

Центральная

Цредурадьская

Маргинальная

Лиственница

сибирская

Иремельская

Белорецкая

Учалинская

Караиделъская

Зилаирская

Красноярская

5,28_+0,Зб

. 3,22_+0,29 3,81_+0,10 Б,00_+0,38

5,95_+0,42

0,25_+0,05

0,36_+0,05 0,05_+0,01 0,29_+0,05

О,26_+0,05

б,66_+0,74 3,10_+0,9Б 3,61_+0,97 3,90_+0,94 4,06_+0,95

0,33_+0,07 0,79_+0,06 О,74_+0,07 0,70_+0,07 О» 69_+0,06

I-

II

III

I

IV V

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Показатель сходства i_

Рис.1. Дендрограмма, построенная на основе показателей сходства популяций по частотам встречаемости хемогрупп (Популяции: 1 - высокогорная, II - центральная, III -предуральская, IV - маргинальная, V - Красноярская лиственницы сибирской).

Что интересно, структура этой дендрограммы полностью совпадает со структурой дендрограммы расстояний Махаланобиса, построенной на основе комплекса признаков генеративных органов лиственницы Сукачева /Путенихин, Старова,1991/. В данном случае полимо-физм на метаболическом уровне совпадает с полиморфизмом генеративных органов.

Многомерный анализ популяционной структуры лиственницы Сукачева по трем мерам генетического расстояния показал, что вид в Башкирии по монотерпенному составу разделяется на четыре самостоятельные популяции. Эти популяции различаются по уровню внутрипопуляционного разнообразия: наиболее изменчива высокогорная, наименее - предуральская. Все популяции лиственницы Сукачева

Рис. 2. Дендрограмма сходства популяций, построенная на

основе евклидовых растояний (1 - V - номера популяций)

И IV III 1

5,0 10,0

Расстояние Махаланобиса

Рис.3. Дендрограмма сходства популяций, построенная на основе расстояний Махаланобиса (1-У - номера популяций)

удалены от выборки лиственницы сибирской - величины wvivk-cixv ■ расстояния между видами несколько раз превышают межпопуляць'ннч расстояния. По трем показателям генетического расстоянии (:.».>,> остальных к выборке лиственницы сибирской расположен'! преду-ральская популяция лиственницы Сукачева.

ГЛАВА IV. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОПУЛЯЦИЯ ЛИСТВЕННИЦ» СУКАЧЕВА В БАШКИРИИ

4.1. Генетический контроль изоферментов

Аспартаминотрансфераза. После электрофореза поп; ц -гамгиот -рансфераза у лиственницы Сукачева выявляется в геле в гиде ч- ты рех зон активности. Наиболее медленно двияущиеся две гюин колируются одним мономорфным (за исключением центральной нспулгипч ле-кусом, третья и четвертая зоны контролируются поwu--.pi' емм ло-кусами с двумя и тремя аллелями. У других вид»* л гчыинчцч аспартаминотрансфераза контролируется двумя /Щурхал и /;•>. . или тремя /Chel iak. Pi tel, 1985; Fins:,Seeb, 1986/ локусаин.

Лейцинзминопептидаэа. Фермент контролируется дгумя л:уcw.v: мономорфным и полиморфным с тремя аллелями. Такой xa;-iKT:p генетического контроля установлен у других видов лле'Г!ч ¡'ппцн и большинства хвойных /Ларионова. 1983; l.ewanrfowîhi . J.. Г.КН: Rudin, 1977: Adans et al. ,1990/'.

Малат д о г и д ро г е 11 as а. При изучении малатд^гидрог»:!-. :»» i ос-г'чру-жено три локуса: мономорфннй и два полиморфных с д^ул- п трем! аллелями. 1-4 гоны активности сообщаются по другим шугзм лгетвен-ницы /Cheliak.Pi tel. 1985; Firr3.Seeb.19SG; Лчрионовп. J'?»5*; Щ/рхо.! и др. ,1989/.

Лиафораза. Диафорага выявляется двумя быстро гсч'.'згг'-.'чл гонами, контролируемыми монсмор»{«нм и полиморфным с лпуь-л т. • t г-лл^и

локусами. У лиственницы сибирской выявлен один локус диафоразы с двумя-аллелями /Шурхал и др. ,1989/.

Шикиматдегидрогеназа. У лиственницы Сукачева фермент контролируется одним полиморфным локусом с двумя аллелями, 1-2 локуса шикиматдегидрогеназы сообщаются у других видов лиственницы /Щур-хал и др. 1989; Lewandowski et al. ,1991/.

б-фосфоглюконатдегидрогеназа. При окрашивании гелей обнаружен мономорфный локус фермента. Для других видов лиственницы указывается два . локуса 6-фосфоглюконатдегидрогеназы /Fins, Seeb, 1986; Cheliak,Pitel,1985; Шурхал и др., 1989/.

Кислая фосфатаза. Изоферменты кислой фосфатазы выявляются в виде двух зон активности, контролируемых мономорфным и полиморфным с тремя аллелями локусами. Ларионова А. а /1988/ сообщает об одном локусе кислой фосфатазы с тремя аллелями лиственницы Сукачева. У лиственницы европейской обнаружен один локус фермента с четырьмя аллелями /Me jnartowicz, Bergmann, 1975/.

Глюкозо-б-фосфатдегидрогеназа. Фермент проявляется на геле одной мономорфной зоной активности. Одна зона глюкозо-6-фосфатде-гидрогеназы обнаружена у других видов лиственницы /Fins, Seeb, 1986; Шурхал и др. ,1989; Lewandowski et al. ,1991/.

Глутаматдегидрогеназа. Один мономорфный локус глутаматдегид-рогеназы определен на гелях после окрашивания. Такой же характер генетического контроля фермента установлен у других видов лиственницы /Cheliak, Pitel,1985; Fins,Seeb,1986; Ларионова, 1988/.

Супе роксиддисмутаза. При изучении супероксиддисмутазы обнаружено два мономорфных локуса У большинства видов лиственницы этот фермент контролируется одним локусом /Cheliak,Pitel,1985; Fins,Seeb,1986; Шурхал и др. ,1989/.

Формиатдегидрогеназа. На гелях," окрашенных на активность формиатдегидрогеназы, фермент выявляется одной мономорфной зоной активности. У лиственницы европейской определен также один мономорфный локус фермента /Lewandowski et al., 1990/. Описанные фер-

ментные системы являются удобными молекулярно-генетическими маркерами при изучении генетической изменчивости лиственниц.

4.2. Уровень генетического разнообразия популяций

Из изученных 19 локусов 9 оказались полиморфными. Среди полиморфных локусов для 5 (Aat-3, Aat-2, Mdh-2, 3kdh-l, Dia-1) установлена диаллельная система генетического контроля. По 3 аллеля обнаружены в локусах Lap-2, Aat-3, Aph-2, Mdh-3.

Среднее число аллелей на локус в изученных популяциях А =1,21. Процент полиморфных локусов по всем популяциям в среднем составил 0,34 при Р 95% И 0,71 при Р 99% (табл.5).

Средняя наблюдаемая гетерозиготность по 17 изоферментным ло-кусам Но - 0,044 ( в разных выборках варьирует от 0,028 до 0,066), средняя ожидаемая гетерозиготность Не = 0,045 (изменяется в пределах 0,032 - 0,062) (табл.5). Значения этих данных меньше показателей, полученных исследователями по другим видам лиственниц /Алтухов и др., 1989/.

Наблюдаемые распределения генотипов в основном соответствуют ожидаемым согласно правилу Харди-Вайнберга частотам. Всего из проведенных 27 оценок в 6 случаях выявлены достоверные отклонения.

Высокогорная популяция выделяется более высокими значениями среднего числа аллелей на локус и гетерозиготности, избыгком ге-терозиготности (F = -0,07). Это объясняется доминированием лиственницы в высокогорных условиях местообитания, поддержкой ее полиморфизма естественным отбором. В предуральской популяции самый низкий уровень гетерозиготности (Не - 0,032), что вызвано изоляцией и'жесткой конкуренцией в специфических условиях среды обитания этой экологически краевой популяции. Отрицательное значение индекса фиксации Райта обнаружено и в маргинальной популяции (F --0,14). Эта географически краевая популяция характеризуется зна-

Таблица 5

Уровень генетической изменчивости популяции лиственницы Сукачева в Башкирии

Популяции Пробные площади N1 А Р952 Р992 Не _+ ошибка Но _+ ошибка Р

Высокогорная Иремельская 17 1.26 0,43 0,43 0,062_+0,007 0,066_+0,006 -0.07

Высокогорная Белорецкая 17 1,26 0,43 0,86 0,047_+0,003 0,044_+0,002 0,06

Центральная Учалинская 17 1,21 0,29 0,86 0,041_+0.005 0,032_+0,003 0.22

Предуральская Караиделъская 17 1,16 0,29 0,71 0,032_+0,003 0,028_+0,002 0,13

Маргинальная ■ Зилаирская 17 1,16 0,29 0,71 0,043_+0,00б 0,049_+0,005 -0,14

В среднем по популяциям 17 1,21 0,34 0,71 0,045 0,044 0,02

_+ ошибка - _+0,03 _+0,08 _+0,07 _+0,010 _+0,012

Примечание: N1 - число изученных локусов; А - среднее число аллелей на локус;

Р952, Р992 - доля полиморфных локусов по 95, 992-ным критериям; Не - ожидаемая гетерозиготность; Но - наблюдаемая гетерозиготноеть; Р - индекс фиксации Райта Во всех пробных площадях объем выборки 40 деревьев.

чительной раздробленностью насаждений и расположением на южной границе ареала вида. Естественный отбор в таких условиях может приводить к увеличению генетической изменчивости и избытку гете-розиготности /СЪеПак еЬ а1. ,1988; Милютин, 1991/.

На основе изучения морфологической и эколого-географической изменчивости также было определено, что высокогорная популяция лиственницы Сукачева в Башкирии обладает наиболее высоким, проду-ральская - наиболее низким генотипическим разнообразием насаждений /Путенихин.Старова, 1991/. Таким образом, при помоди различных методов на трех уровнях: генном, метаболическом и организмэшюм получены аналогичные результаты по изменчивости популяций лиственницы Сукачева в Башкирии.

4.3. Пространственная дифференциация популяций.

Основная часть генетической изменчивости приходится па долю внутрипопуляционной составляющей (97,7%). Величина межпопуляцион-ной составляющей генетической изменчивости 6з1 = 2,3%. Наибольший вклад в формирование межпопуляционной составляющей вносят локусн АрЬ-2 (14,5%) и >№-3 (6,5%), наименьший - МсИт2 (1,8%). Полученные значения меньше, чем у других видов лиственниц и близки к данным Ларионовой А. Я. /1988/ по лиственнице Сукачева.

Связи между генетическим расстоянием по Нею и степенью геог-

«

рафической удаленности не обнаружено. Наиболее близко рас поло жены центральная и предуральская популяции - выборки географически удаленные, но с одинаково низкими показателями изменчивости (рис.4). Обособлены от остальных две пробные площади высокогорной популяции (Б = 0.01-0,04). Выборки с 'большими показателя;.'!! внут-рипопуляционного разнообразия удалены друг от друга по расстоянии Нея. У высокогорной популяции наиболее высокие значения среднего числа морф и доли редких морф (табл.4). В центральной и преду-ральской популяциях эти показатели наиболее низкие. Сообщенные

I f

I IV

И

4h

-ih

-—ih

0,001 0,005 0,04

Генетическое расстояние Нея

Рис.4. Дендрограмма сходства популяций, построенная на основе генетических расстояний Нея.

(Пробные площади: I - Иремельская, II - Учалинская, III - Караидельская, V - Зилаирская, VI - Белорецкая)

юказатели внутрипопуляционного разнообразия подтверждают результаты о повышенном полиморфизме высокогорной популяции, вызванном поддержкой естественным отбором ее ее генетического потенциала, и пониженном предуральской популяции вследствии инбридинга в изолированных участках произрастания лиственницы.

Для сохранения лиственницы Сукачева на Южном Урале необходимо, в числе других мероприятий, расширить ранее выделенные генетические резерваты вида. Предпочтительными для селекции и лесоразведения в' горно-лесной зоне являются семена из высокогорной популяции, в Предуралье Башкирии - семена из предуральской и центральной популяции.

V

- 19 -ВЫВОДЫ

1. В коре однолетних побегов лиственницы Сукачева в Башкирии

обнаружено 33 терпена, из них 13 монотерпенов: сантен, трициклен,

г

о(-пинен, фенхен, камфен, ,^-пинен, Д-карен, сч-терпинен, лимонен, ^-фелландрен, у-терпинен, n-цимол, терпинолен. Определен процентный состав и коэффициенты вариации моногерпенов по 4 популяциям. Отмечено наличие группы доминирующих компонентов: t\-карей, <ы- и jj-пинены, характерного для изученного вида. Коэффициенты вариации этих монотерпенов в %: А -карен - 17,7; о^-пинен -26,6; ^J-пинен -25,4.

2. Внутрипопуляционная изменчивость содержания монотерпенов превышает межпопуляционную изменчивость. Невысокое хемотипическое разнообразие и отсутствие закономерностей корреляции между компонентами не позволяет выделить группы биосинтеза монотерпенов.

3. Разделенные ранее фенотипически популяции лиственницы Сукачева в Башкирии: центральная южноуральская, высокогорная южноуральская, маргинальная уральская, башкирская предуральекая также достоверно различаются по относительному содержанию и коэффициентам вариации монотерпенов. По показателям внутрипопуляцион-ного разнообразия наиболее полиморфна высокогорная (jM -5,28_+0,36; h-0,25_+0,05), наименее изменчива - предуральекая популяция ( М-3,81_+0,10; h-0,05 +0,01).

4. Монотерпенный состав лиственницы Сукачева обладает количественной Еидоспецифичностью, позволяющей дифференцировать ее от близкородственной лиственницы сибирской. Предуральекая популяция лиственницы Сукачева как по величине относительного содержания, так и по коэффициентам вариаций монотерпенов ближе остальных к лиственнице сибирской, хотя для нее отмечены наименьшие показатели изменчивости.

5. Изучен генетический контроль изофзрментов LAP, ААГ, АГ11, ЮН, DIA, SKDH, 6-PGD, G-6-PDH, 6DH, SOD, FDH лиственница Оукаче-

ьа. Выявлено, что они контролируются 19 локусами, 9 из которых полиморфны. Генетический контроль 7 ферментов (ДАТ, DIA, SKDH, 6-PGD, G-G-PDH, SOD, FDH) у лиственницы Сукачева исследован впер-

BU-'i.

6. Получены оценки уровней генетической изменчивости популяций лиственницы Сукачева. Доля полиморфных локусов равна Р95% = 0,34. Значение средней наблюдаемой гетерозиготности равно 0,044, средней ожидаемой гетерозиготности - 0,045, среднее число аллелей на локус - 1,21. Эти показатели меньше, чем у других видов хвойных, в т. ч.. лиственниц - изученный вид характеризуется низкой генетической изменчивостью.

7. Анализ дифференциации изученных популяций показал, что 97,7% генетической изменчивости относится к внутрипопуляционной, что больше, чем у других видов лиственниц. Локусы вносят неодинаковый вклад в формирование межпопуляционной дифференциации: вклад локуса Aph-2 наибольший - Gst - 14,5%, локуса Mdh-2 - наименьший (Gst=l, 8%). Доли остальных локусов в образовании межвыборочных различий варьируют в пределах 2,7-6,5%.

8. Зависимости между генетическим расстоянием и географической удаленностью не обнаружено. Генетическое расстояние между удаленными друг от друга предуральской и маргинальной популяциями меньше, чем между близлежащими высокогорной и центральной популяциями.

9. Четыре популяции лиственницы Сукачева в Башкирии различаются по уровню генотипической изменчивости по изоферментам: наибольшую изменчивость показала высокогорная, наименьшую - преду-ральская. Повышенный уровень генетической изменчивости высокогорной популяции объясняется действием естественного отбора в условиях высокогорья. Низкий уровень изменчивости предуральской популяции вызван инбридингом лиственницы в изолятах, локализованных на мерзлотных почвах и жесткой конкуренцией с темнохвойными породами.

10. Высокогорная популяция выделяется среди остальных популяций как по расстоянию Махаланобиса, вычисленнному по относительному содержанию монотерпенов, так и по генетическому расстоянию Нея, рассчитанному по частотам аллелей изоферментных локусов. Эта обособленность, видимо, вызвана тем, что в высокогорной популяции сохраняется часть генетического потенциала, сформированного на предыдущих стадиях развития - в период доминирования лиственницы, в начале голоцена.

11. Результаты исследований изменчивости и дифференциации популяций лиственницы Сукачева могут быть использованы для оценки их перспективности в селекционном плане, при составлении комплексных программ генетического улучшения хвойных пород Башкирии и создании генетически ценных и устойчивых лесосемешшх плантация и насаждений.

12. Лесохозяйственние мероприятия на Южном Урале должны слггь направлены на сохранение оставшихся участков лиственницы Сукачева. В башкирской предуральской популяции необходимо организовать ботанические памятники природы. В центральной, высокогорной, маргинальной популяциях целесообразно произвести расширение ранее выделенных генетических резерватов.

13. Результаты исследований позволяют дополнить лесосеменное районирование лиственницы Сукачева в Башкирии в плане выделения по крайней мере двух подрайонов: среднегорного ^и высокогорного. В Предуралье Башкирии для лесоразведения и селекции предпочтительно использовать семенной материал лиственницы Сукачева из предуральской и центральной популяций, для культивирования в горно-лесной зоне - из высокогорной популяции.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Путенихин В. П., Андрианов П. Д. , Тимерьянов А. II Изучение популяционной структуры и сохранение генофонда лиственницы Сука-

4t i,а на Южном Урале // Лесная генетика, селекция и физиология древесных растений. Материалы Международного симпозиума (Воронеж, IOCS). - M.; 1989. - с. 111-112.

2. Юмадилов H. X , Тимерьянов A. EL, Рашаль И. Д. , Адлер Э. Е Хемотшш популяций сосны обыкновенной и лиственницы Сукачева в Башкирии // Хемосистематика и эволюционная биохимия высших растений: Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания - М.,1990. -с. 112-114.

3. Юмадилов H. X , . Адлер Э. Е , Рашаль И. Д., Тимерьянов А. Е Хомотипы .популяций Pi nus sylvestris L. в Башкирии // Растит, ресурсы. - 1991. - т. 27, вып. 2. - с. 67-73.

4. Тимерьянов A. ILL, Юмадилов Е X. Монотерпенный состав популяций лиственницы Сукачева на Южном Урале // Изучение и рациональное использование природных ресурсов. Материалы научной конференции - Уфа, 1991. - с. 196.

5. Тимерьянов А. Е, Юмадилов Е X Гетерогенность монотерпен-ного состава популяций лиственницы Сукачева в Башкирии // Тез. докл. IV Всесоюзной научной конференции - Кишинев, Шгиница, 1991.

- С. 487-487.

6. Юмадилов Е X , Адлер Э. Е , Тимерьянов А. Е Гетерогенность популяций сосны обыкновенной и лиственницы Сукачева в Башкирии по монотерпенному составу // Лесная генетика: охрана, воспроизводство и рациональное генетических ресурсов. Материалы Мевдуна-родного симпозиума - Уфа, 1992. - с. 32-38.

7. Янбаев Ю. А., Шигапов 3. X , Тимерьянов А. Е , Бахтиярова Р. М. , Закирова Э. М. , Хуснутдинова Ф. $. Генетическая изменчивость популяций хвойных в экстремальных условиях природной среды// Лесная генетика: охрана, воспроизводство и рациональное генетических ресурсов. Материалы Международного симпозиума - Уфа, 1992.

- с. 44-51.

8. Тимерьянов А. Е Изменчивость монотерпенного состава популяций лиственницы Сукачева на Южном Урале // Проблемы лесной био-

геоценологии и методологические основы их решения. Тео. докл. международной конференции. - Йошкар-Ола, 1992. -с. 60.

9. Тимерьянов А. Ш. Гетерогенность монотерпенного иостаьп популяций лиственницы Сукачева на Южном Урале // Проблемы г.^сча новления лесов на Урале. Тез. докл. научно-практической конференции. - Екатеринбург, Наука, Уральское отд. - с. 67-69.