Влияние хронического облучения на генетическую структуру природных популяций Arabidopsis Thaliana (L. ) Heynh. и Centaurea Scabiosa L.

Лысенко, Евгений Анатольевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Влияние хронического облучения на генетическую структуру природных популяций Arabidopsis Thaliana (L. ) Heynh. и Centaurea Scabiosa L.
ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Лысенко, Евгений Анатольевич

Введение

Список сокращений

1. Обзор литературы

1.1 Генетическая гетерогенность популяций : механизм поддержания и биологическое значение.

1.2 Воздействие экологических факторов на генетическую структуру популяций.

1.2.1. Физические факторы. 14 1.2.1.1 Радиация. 14 1.2.1.2. Температура 18 1.2 Л .3 Другие физические факторы.

1.2.2. Химические факторы.

1.2.2.1. Соленость.

1.2.2.2. Другие химические факторы.

1.2.3. Биотические факторы.

1.2.4. Анализ подходов к изучению влияния экологических факторов на генетическую структуру популяций.

1.3 Сопоставление влияния на генетическую структуру популяций хронического облучения и других экологических факторов

2. Материалы и методы.

2.1. Объекты исследования.

2.2. Радиологическая характеристика участков.

2.3. Выращивание образцов и приготовление проб.

2.4. Электрофорез.

2.5. Окрашивание.

2.6. Статистическая обработка данных. 50 РЕЗУЛЬТАТЫ 52 3 Характеристика исследованных ферментных систем.

3.1 Arabidopsis thaliana.

3.2 Centaurea scabiosa.

4 Влияние хронического облучения на генетическую структуру природных популяций Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.

5 Влияние хронического облучения на генетическую структуру природных популяций Centaurea scabiosa L.

6. Обсуждение

6.1. Изменения по отдельным локусам.

6.2. Изменения популяционной структуры в целом.

6.3. Изменение уровня генетического разнообразия. 113 Выводы 128 Список литературы

Введение Диссертация по биологии, на тему "Влияние хронического облучения на генетическую структуру природных популяций Arabidopsis Thaliana (L. ) Heynh. и Centaurea Scabiosa L."

Генетическая структура популяции организмов отражает ее приспособленность к условиям обитания. Появление новых факторов или новых величин действующих факторов изменяет среду обитания, что, зачастую, приводит к изменению генетической структуры популяций. В такой ситуации, упрощая формулировки, говорят об изменении генетической структуры популяции под действием какого-либо фактора. Воздействие такого фактора как хроническое облучение высокой интенсивности, на порядки величин превосходящее природный радиоактивный фон (ПРФ), традиционно вызывает горячий интерес у биологов. "С одной стороны, радиация выступает как неблагоприятный фактор среды, под действием которого идет приспособительная эволюция, с другой стороны, она вызывает появление большого количества мутаций, отбор среди которых облегчает протекание эволюционного процесса" (Дубинин, 1961 с. 433-434).

При изучении природных популяций, подвергающихся хроническому воздействию радиации, исследована динамика мутационного процесса (Абрамов и др., 1995; Кальченко и др., 1995), показано возникновение хромосомной нестабильности (Гилева и др., 1995; 1996) и нарушения сегрегации аллелей (Рубанович, Кальченко, 1994), а также нарушений в системе регуляции внутриклеточных молекулярных процессов (Кудяшева и др., 1997). Во многих исследованиях продемонстрирован феномен адаптации популяций растений, животных и микроорганизмов к новому, высокому уровню облучения (Шевченко, 1970; 1979; Чережанова и др., 1971; Ильенко, Крапивко, 1980; 1993; Кальченко и др., 1981; 1996). Изучение генетической структуры позволяет понять механизмы адаптации и цену, которую популяция платит за нее. Однако микроэволюционные процессы являются одной из наименее изученных сторон воздействия радиации как экологического фактора.

Во всех доступных источниках нам удалось обнаружить менее десятка исследований изменения генетической структуры природных популяций под действием хронического облучения. При этом, работ, описывающих попудяци-онную структуру по 5 и более локусам всего 3: динамика структуры инбредных (непанмиктических) популяций двудольного растения Arabidopsis thaliana описана для первых двух лет воздействия фактора (Федоренко, 1991); в интервале 2-4 года после начала воздействия хронического облучения описана динамика структуры панмиктических популяций двустворчатого моллюска Dreissena polymorpha (Шевченко, Фетисов, 1989; Фетисов и др., 1990; Слипченко, 1998); по прошествии более чем 20 лет с начала воздействия радиационного фактора была проанализирована структура непанмиктических популяций рыбы Carassius auratus (Милишников, 1979; 1982). Еще в нескольких работах исследована связь хронического облучения и генетической структуры природных панмиктических популяций по 2-3 локусам (Дубинин и др., 1980; Кальченко и др., 1983; 1996; Ross, 1986).

Полученные в вышеперечисленных работах данные убедительно доказывают, что хроническое облучение как экологический фактор изменяет генетическую структуру природных популяций: продемонстрировано изменение частот аллелей и генотипов, уровня разнообразия и гетерозиготности. Однако на основании имеющихся данных нельзя представить целостную картину изменения популяционного генофонда под действием радиационного фактора. Фактически отсутствует многолокусное исследование изменений генетической структуры панмиктических популяций на отдаленных этапах воздействия хронического облучения: Имеющиеся результаты позволяют сопоставить 1 контрольную и 1 облучаемую популяцию по 2-3 локусам (Дубинин и др., 1980; Кальченко и др., 1996), 2 контрольные и 2 опытные популяции по 1 локусу (Кальченко и др., 1983). Неясными остаются и молекулярно-генетические механизмы адаптации популяций к хроническому облучению. Возможно, единственным примером здесь может служить демонстрация увеличения приспособленности генотипа ВС" локуса Lap Centaurea scabiosa в условиях хронического облучения (Кальченко и др., 1991).

Исследование генетической структуры чернобыльских популяций A. thaliana (Федоренко, 1991; Abramov et al., 1992) является уникальным, поскольку только в нем воздействие радиации как широкомасштабного экологического фактора на генетическую структуру природных популяций изучено с самого начала - первый сбор материала был произведен менее чем через месяц после аварии на ЧАЭС; для других экстремальных факторов нам также не удалось обнаружить данные о самых первых этапах их воздействия на популяци-онную структуру. Однако в работе О.М.Федоренко (1991) трехлетняя динамика популяционной структуры продемонстрирована только для одной популяции и еще одна популяция изучена на протяжении двух лет; остальные 15 популяций изучены однократно в разные годы. В лаборатории Экологической генетики ИОГен РАН существует коллекция семян, позволяющая отследить изменения генетической структуры природных популяций A. thaliana на протяжении 5-6 лет с момента начала воздействия радиационного фактора. Расширенное изучение динамики популяционно-генетической структуры A. thaliana на материале этой коллекции является, на наш взгляд, наиболее перспективным подходом к изучению воздействия хронического облучения на генетическую структуру природных популяций.

Изоферментный анализ является удобным инструментом для изучения популяционно-генетических процессов (Левонтин, 1978; Алтухов, 1989). Данный метод позволяет точно и просто выявлять и анализировать большое количество полиморфных признаков, имеющих моногенный характер наследования (Корочкин и др., 1977). К преимуществам данного метода относится и то, что биологическая функция используемых молекулярных признаков известна и, зачастую, является общей для организмов различных высших таксонов (классов, типов, царств). Это позволяет обсуждать данные, полученные на разных объектах, с точки зрения единой биологической функции.

В свете вышесказанного, цель настоящего исследования была сформулирована следующим образом: оценить изменения генетической структуры природных популяций растений на ранних и отдаленных стадиях (этапах) воздей7 ствия хронического облучения на примере Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. и

Centaurea scabiosa L., используя метод изоферментного анализа.

Исходя из этой цели, были сформулированы следующие задачи :

1. Изучить динамику генетической структуры природных популяций Arabidopsis thaliana в течении 3-6го годов воздействия радиационного фактора в 30 км зоне загрязнения Чернобыльской АЭС.

2. Найти новые удобные изоферментные маркеры для исследования популяци-онной структуры Centaurea scabiosa и разработать методическую базу для их регистрации.

3. Охарактеризовать генетическую структуру природных популяций Centaurea scabiosa, подвергающихся хроническому облучению в течении 40 лет.

4. Изучить изменение уровня генетического разнообразия в природных популяциях Arabidopsis thaliana и Centaurea scabiosa под действием хронического облучения.

5. Исследовать механизмы адаптации генетической структуры популяций Arabidopsis thaliana и Centaurea scabiosa к воздействию хронического облучения.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ПРФ - природный радиоактивный фон HP А - наиболее распространенный аллель Трис - трис(гидроксиметил)аминометан

АА - акриламид

МБА - N,N'- метилен-бис-акриламид

ПСА - персульфат аммония

ТЕМЕД - N,N,N ,N" - тетраметилэтилендиамин

ПААГ - полиакриламидный гель

ЭДТА-Ма - этилендиаминтетраацетата натриевая соль

NAD - никотинамид аденин динуклеотид

NADP - никотинамид аденин динуклеотид фосфат

МТТ - 344,5-Диметю1таазол-2-ил]-2,5-дифеншггетразолиум бромид