Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Внутривидовое разнообразие и дифференциация популяций ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) в Средней Сибири

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Внутривидовое разнообразие и дифференциация популяций ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) в Средней Сибири"

На правах рукописи

С/с

Кравченко Анна Николаевна

003469Э24

ВНУТРИВИДОВОЕ РАЗНООБРАЗИЕ И ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ПОПУЛЯЦИЙ ЕЛИ СИБИРСКОЙ {PICEA OBOVATA LEDEB.) В СРЕДНЕЙ СИБИРИ

03.00.05-ботаника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 4 МАЯ 2003

Красноярск - 2009

003469924

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте леса им. Н.В. Сукачева Сибирского отделения РАН.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Леонид Иосифович Милютин

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Нина Евгеньевна Судачкова

кандидат биологических наук, доцент Татьяна Викторовна Карпюк

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Ботанический сад-институт Уфимского НЦ РАН

Защита состоится 2 июня 2009 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003.056.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Учреждении Российской академии наук Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН по адресу: 660036, Красноярск, Академгородок, 50, стр. 28; факс: (391)243 36 86; E-mail: institute@forest.akadem.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН

Автореферат разослан «Л9г> апреля 2009 года

Ученый секретарь

диссертационного совета, , /'

д.б.п., профессор ^ // I1 q/1"-/'(X Муратова E.I I.

/'/ 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из приоритетных направлений в современной биологии является изучение популяционно-генетической структуры, внутривидового разнообразия и дифференциации популяций основных лесообразующих видов хвойных. Генетическое разнообразие на популяционном и внутривидовом уровнях -базовая составляющая общего биологического разнообразия, сохранение которого рассматривается наукой в качестве одной из важнейших проблем человечества [Динамика популяционных генофондов..., 2004]. Исследование генетических процессов, протекающих в природных популяциях, имеет не только теоретическое значение для познания закономерностей внутривидовой дифференциации и микроэволюции вида, но и характеризуется важным прикладным аспектом -возможностью обоснования путей сохранения генофонда и селекционного улучшения вида на популяционной основе [Путенихин, 2000; Eriksson, Ekberg, 2001; Ирошников, 2002]. Особую актуальность в связи с этим имеет изучение внутривидовой изменчивости наиболее ценных в хозяйственном отношении видов, к числу которых относится и ель сибирская (Picea obovata Ledeb.), генетическое разнообразие которой остается малоизученным.

К настоящему времени с помощью одного из наиболее распространенных методов изучения генетической изменчивости хвойных - электрофоретического анализа изоферментов детально исследованы генетическая структура, разнообразие и дифференциация популяций ели сибирской, произрастающей на Южном Урале, в Приуралье и в прилегающих районах Западной Сибири, в основном в зоне гибридизации ее с елью европейской (Picea abies (L.) Karst) [Путенихин и др., 1995; Krutovskii, Bergmann, 1995; Янбаев и др., 1997; 1999; Политов, Крутовский, 1998; Ганиев, 2000; Янбаев, 2002; Шигапов, 2005]. Основная же часть ареала ели сибирской (Средняя и Восточная Сибирь) изучена в меньшей степени. Проанализированы лишь отдельные популяции этого вида из Красноярского края, Алтая, Восточно-Казахстанской области, Дальнего Востока [Гончаренко, Потенко, 1991а; Krutovskii, Bergmann, 1995; Ларионова, 1995а, б; Гончаренко, Падутов, 2001; Падутов, 2002; Кравченко и др., 2004; Потенко, 2004а, б].

Отсутствие достаточной информации для большей части ареала ели сибирской не позволяет оценить генетический потенциал вида в целом, уровень генетического разнообразия и степень дифференциации популяций в различных районах его естественного распространения, что крайне необходимо для разработки и непосредственного проведения мероприятий, направленных на максимальное сохранение генетического разнообразия еловых лесов России, создания региональных программ по лесовосстановлению и неистощительному лесопользованию.

Цель исследования - определение структуры, уровня генетического разнообразия и степени внутривидовой дифференциации популяций ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) в Средней Сибири.

Задачи исследования:

1. Провести электрофоретический анализ ферментов в гаплоидной (эндоспермы семян) и диплоидной (вегетативные почки) тканях ели сибирской, установить генетический контроль аллозимного разнообразия ферментов и выявить локусы. пригодные для генетико-популяционных исследований этого вида;

2. Изучить генетическую структуру и определить основные параметры генетической изменчивости популяций ели сибирской из различных районов ее естественного распространения в пределах исследуемой части ареала:

3. Выявить характер пространственного распределения генетической изменчивости, оценить уровень подразделенное™ и степень дифференциации включенных в анализ популяций.

Научная новизна. Впервые с использованием изоферментных маркеров генов определена генетическая структура популяций ели сибирской в неисследованной ранее обширной части ее ареала (Красноярский край, Тыва и Томская область). Установлены уровни внутрипопуляционного и внутривидового разнообразия, степень и характер генетической дифференциации популяций. Показано, что степень дифференциации популяций в различных районах изученной территории существенно различается. Наиболее дифференцированными оказались популяции ели из горных местообитаний.

Теоретическое и практическое значение. Данные о генетическом разнообразии и межпопуляционной изменчивости ели сибирской в исследованной части ареала вносят существенный вклад в изучение генетических ресурсов и внутривидовой дифференциации этого вида и служат основой для дальнейших генетико-популяционных исследований. Выявленные закономерности в распределении генетической изменчивости могут быть востребованы при разработке региональных программ, направленных на сохранение генетического разнообразия популяционных систем этого вида в процессе их использования и искусственного лесовосстановления.

Защищаемые положения:

1. Ель сибирская в пределах исследуемой части ареала характеризуется достаточно высоким генетическим разнообразием, слабой подразделенностыо и низким уровнем генетической дифференциации популяций;

2. Популяции ели сибирской из горных местообитаний обнаруживают более существенные различия в генетической структуре по сравнению с популяциями равнинных территорий;

3. Горные популяций ели сибирской из Тывы, расположенные у южной границы ареала вида, обособлены как от равнинных популяций, так и от остальных горных популяций.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференции молодых ученых «Исследования компонентов лесных экосистем Сибири», посвященной 60-летию образования Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (Красноярск. 2004): на Всероссийской конференции «Структурно-функциональная организация и динамика лесов», посвященной 60-летию Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН и 70-летию образования Красноярского края (Красноярск, 2004); на III Международной конференции «Проблемы вида и видообразования» (Томск, ТГУ, 2004); на Всероссийской конференции «Природная и антропогенная динамика наземных экосистем» (Иркутск, 2005); на Международной конференции «Лесные экосистемы Северо-Восточной Азии и их динамика» (Владивосток, 2006), на конференции молодых ученых «Исследования компонентов лесных экосистем Сибири», посвященной 50-летию Сибирского отделения РАН (Красноярск, 2007). на I Международном совещании по сохранению лесных генетических ресурсов в Сибири (Барнаул, 2007).

Кроме того, результаты исследований были представлены на отчетной конференции по Программе Президиума РАН «Динамика генофондов растений, животных и человека» (Москва, 2005, 2006); на Международной конференции

«Генетика в России и мире», посвященной 40-летию Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН (Москва, 2006).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 9 опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 152 страницах компьютерного текста, содержит 14 таблиц и 24 рисунка. Библиографический список включает 297 наименований, 133 из которых на иностранных языках.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты исследований получены непосредственно автором в лаборатории лесной генетики и селекции Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю д.б.н., проф. Л.И. Милютину за всестороннюю помощь в работе над диссертацией. Автор благодарит к.б.н. А.Я. Ларионову за критические замечания, ценные указания и советы при обсуждении результатов работы и при подготовке диссертации. Автор благодарит к.б.н. А.К. Экарта и к.б.н. Н.В. Орешкову за помощь в проведении экспериментальных работ. Считаю своим приятным долгом выразить признательность сотрудникам Института общей генетики РАН к.б.н. Д.В. Политову, М.М. Белоконь, Ю.С. Белоконь за методическую помощь на начальных этапах исследования. Автор благодарит д.б.н. С.П. Ефремова за помощь в подборе объектов исследования в Томской области, к.б.н. Г.В. Кузнецову и к.б.н. Е.В. Бажину за помощь в сборе экспериментального материала в Западном Саяне, а также к.б.н. О.С. Владимирову за предоставленный экспериментальный материал из Тывы.

Диссертационная работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (гранты № 03-04-49719, №06-04-81026, №06-04-48052), РФФИ-ККФН «Енисей-2005» (грант №05-04-97717), СО РАН (проект №145), Программы Президиума РАН «Динамика генофондов растений, животных и человека».

ГЛАВА I. ВНУТРИВИДОВОЕ РАЗНООБРАЗИЕ ВИДОВ РОДА PICEA

В главе анализируются работы отечественных и зарубежных авторов, посвященные изучению таксономического положения, морфологических и экологических особенностей, географического распространения ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) [Овсянников, 1930; Сукачев, 1934, 1938; Комаров, 1934, 1949; Васильев. Уханов, 1949; Svoboda, 1953; Schmidt-Vogt, 1974, 1977; Шиманюк, 1974; Правдин, 1975; Бобров, 1978; Крюссман, 1986; Гроздова и др., 1986; Попов, 1999, 2005; Коропачипекий, Встовская, 2002 и др.]. Рассматриваются вопросы, касающиеся различных форм внутривидовой морфологической изменчивости этого вида [Lindquist, 1948; Некрасов. 1966; Мамаев, Некрасов, 1968; Мамаев, 1972; Попов, 1974, 1984, 1996, 1999, 2005; Мамаев. Попов, 1989; Говорин, 1992; Потемкин, 1994 и др.]. Детально анализируются работы по генетическому разнообразию, внутри- и межвидовой дифференциации различных представителей рода Picea, выполненные с помощью изоферментного анализа |Ych, El-Kassaby, 1980; Cheliak et al., 1985; Yeh, Amott, 1986; Alden, Loopstra, 1987; Shea, 1990: Giannini et al., 1991; Wang, Macdonald, 1992; Hawley, DeHayes, 1994; Krutovskii, Bergmann. 1995; Янбаев и др., 1997; Политов, Круговский, 1998; Гончаренко, Падутов, 2001; Падугой. 2001, 2002; Янбаев, 2002; Потенко, 2004; Шигапов, 2005 и др.]. На основании обобщения литературных данных определена актуальность проблемы исследования внутривидового разнообразия ели сибирской в Средней Сибири.

з

ГЛАВА 2. РАЙОН, ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования является ель сибирская, произрастающая на территории Средней Сибири (Красноярский край и республика Тыва). Красноярский край представлен популяциями (ценопопуляциями) из Ермаковского, Емельяновского, Козульского, Большемуртинского, Тюхтетского, Ирбейского, Енисейского и Туруханского районов. В Тыве изучены три популяции, одна из которых расположена

на севере республики, две других - на юге, вблизи южного предела распространения вида в регионе. Кроме того, в исследование включена

популяция ели сибирской из прилегающей к Средней Сибири восточной части Западной Сибири (Томская область). Популяция

расположена в 30-35 км юго-западнее г. Томска (рис. 1).

В главе дано описание природно-климатлческих условий района исследования, приведены характеристики включенных в анализ популяций ели сибирской (табл. 1).

Материалом для

исследования послужили

семена и вегетативные почки, собранные отдельно с каждого из 376 деревьев в 14 популяциях. Каждая

популяционная выборка

включала не менее 20 деревьев. Анализируемые ткани

(эндоспермы семян, почки) гомогенизировали в 1-2 каплях экстрагирующего буфера

0.05М Трис-HCl рН 7.7, содержащего дитиотрейтол (0.06%), трилон Б (0.02%) и (3-меркаптоэтанол (0.05%).

Разделение экстрактов

осуществляли методом

горизонтального электрофореза в 13%-ном крахмальном геле в течение 6 ч при 170 V, 40 шА в трех буферных системах: морфолин-цитратной, рН 7.0 [Clayton, Tretiak. 1972]. трнс-

Рис. 1. Пункты сбора экспериментального материала

цитратной, pH 8.5 / гидроокись лития-боратной, pH 8.1 [Ridgway et al., 1970], трие-ЭДТА-боратной, pH 8.6 [Markert, Faulhaber, 1965]. Составы гелевых и элеюродных буферов не отличались от рекомендуемых. В исследование включены следующие ферменты: глутаматоксалоацетаггрансаминаза (GOT, К.Ф. 2.6.1.1), мататдегидрогепаза (MDH, К.Ф. 1.1.1.37), 6-фосфоглюконатдегидрогеназа (6-PGD, К.Ф. 1.1.1.44), шикиматдегидрогеназа (SKDH, К.Ф. 1.1.1.25), изоцитратдегидрогеназа (IDH, К.Ф. 1.1.1.42). формиатдегидрогеназа (FDH, К.Ф. 1.2.1.2), лейцинаминопептидаза (LAP, К.Ф. 3.4.11.1), фосфоглюкоизомераза (PGI, К.Ф. 5.3.1.9), фосфоглюкомутаза (PGM, К.Ф. 2.7.5.1), супероксндцисмутаза (SOD, К.Ф. 1.15.1.1), глугаматдегидрогеназа (GDH, К.Ф. 1.4.1.2), фосфоенолпируваткарбокснлаза (РЕРСА, К.Ф. 4.1.1.31). Гистохимическое окрашивание ферментов проводили согласно методическим руководствам [Brewer, 1970; Vallejos. 1983; Генетика изоферментов, 1977; Гончаренко, Падутов, 1988; Manchenko, 1994 и др.] с некоторыми модификациями. Обозначение ферментов, локусов и аллелей проводили поФ. Айала [1984].

Таблица I

Географическое положение н характеристика исследованных популяций ели сибирской

Популяция Район расположения Географические координаты Высота над Лесорастительная подзона

ур. м, м

с.ш. в.д.

Красноярский край

IVieii руч. Билелиг, Ермаковский р-он 52°2Г 93°37' 1080 Горнотаежная свсглохвойная

Арадан окр. п. Арадан, Ермаковский р-он 52°40" 93°22' 880 Горнотаежная темно.чвойная

Козулька окр. п. Козулька, Козульский р-он 56°10" 91°30" 300 Юж1гая тайга

Татарка р. Татарка, Козульский р-он 56°15' 91°05" 300 Тоже

Зареченка окр. д. Зареченка, Тюхтетский р-он 56°35" 89°10" 200

Еловка окр. п. Еловка, Емельяновский р-он 56°12' 92°32" 240 —'"—

Б. Мурта Болыиемуртинский р-он 57°16" 92°45" 250 —"—

Ялань окр. д. Ялань, Енисейский р-он 58°2Г 91°49' 100 —

Степа! ювка окр. п. Степановка, Ирбейский р-он 55°10" 95°46" 330 Подтай га

Туруханск окр. п. Туруханск, Туруханский р-он 65°50" 88°00" 50 Северная тайга

Гещйтка Тыва

Туран вблизи г. Туран 52°14' 93043- 960 Горнотаежная светлохвойная

Хшщагайты 1 Хандаганты 2 вблизи п. Хандагайты 50°46" 50°46" 92°02' 92=01- 1169 1239 Горная степь То же

Томская область

Томск окр. п. 86-й Квартал, 56°22" 84°33" 125 Южная тайга

Тимирязевский р-он

Генный контроль выявленных вариантов ферментов изучали методом анализа их сегрегации среди эндоспермов семян отдельных деревьев. Гетерозиготное по какому-либо ферментному локусу дерево продуцирует эндоспермы, несущие аллозимные варианты в соотношении 1:1. Отклонение от ожидаемого соотношения вариантов оценивали по критерию х2 •

На основании выявленных аллозимных фенотипов устанавливали соответствующие им генотипы и рассчитывали частоты аллелей по каждому из

проанализированных локусов. Для определения уровня генетического разнообразия использовали стандартные показатели: процент полиморфных локусов при 95%-ном (Р95) и 100%-ном (Р|оо) критериях полиморфности, среднее число аллелей на локус (А), средняя наблюдаемая (Н0) и ожидаемая (Нс) гетерозиготности, эффективное число аллелей (пс) [Айала, Кайгер, 1988]. Популяционную структуру и степень подразделенности природных популяций ели сибирской определяли с помощью показателей F-статистик Райта [Guríes, Ledig, 1982]. Количественную оценку степени генетических различий между популяциями производили по методу, предложенному N1. Ней [1972]. Для вычисления показателей использовали пакет компьютерных программ POPGEN 1.32 [Yeh et al., 1999] и BIOSYS 1 [SwofTord, Seiander. 1981]. Кластеризацию популяций по методу UPGMA [Sneath, Sokal, 1973] с оценкой бутстреп-поддержки узлов ветвления проводили с использованием пакета программ PHYLIP 3.2 [Felsenstein, 1989], ординацию популяций на плоскости двух первых главных компонент - в пакете STATISTICA [1998].

ГЛАВА 3. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ФЕРМЕНТНЫХ СИСТЕМ ЕЛИ СИБИРСКОЙ

В главе дано описание электрофоретического спектра каждого из 12 включенных в анализ ферментов ели сибирской. Показано, что аллозимное разнообразие этих ферментов находится под контролем, по крайней мере, 24 ген-ферментных локусов. Однако четкое электрофоретическое разделение получено для продуктов 22 локусов (Cot-1. Got-2, Gol-3, Lap-1, Lap-2, Skdh-i, Skdh-2, Mdh-1, Mdh-2. Mdh-3, ldh-2. Sod-1. Sod-2, Fdh, Gdh, Pgm-1, Pgm-2, Pgi-1, Pgi-2, Pepea, 6-Pgd-2, 6-Pgd-3). Установлено, что идентифицированные локусы продуцируют 65 аллозимных вариантов ферментов. Анализы сегрегации выявленных вариантов среди эндоспермов семян гетерозиготных деревьев подтверждают, что они наследуются как моногенные признаки и могут быть использованы в качестве маркеров генов для изучения генетического разнообразия и дифференциации популяций ели сибирской.

ГЛАВА 4. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА И ВНУТРИПОПУЛЯЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ЕЛИ СИБИРСКОЙ

4.1. Генетическая структура природных популяций ели сибирской

Из 22 идентифицированных ген-ферментных локусов полностью мономорфны.мн во всех включенных в исследование популяциях ели сибирской оказались два локуса: Sad-J и Pgm-1. Остальные локусы (Got-1, Got-2, Got-3, Lap-1, Lap-2, Skdh-1, Skdh-2. Mdh-1, Mdh-2, Mdh-3, ldh-2, Sod-2, Fdh, Gdh, Pgm-2, Pgi-1, Pgi-2, Pepea, 6-Pgd-2. 6-Pgd-3) были изменчивы хотя бы в одной из популяций.

Максимальное число аллелей (5 аллелей) выявлено в локусах Lap-1, Mdh-3. ldh-2. Локусы Got-2, Skdh-1, Pgm-2, Pgi-2 имеют no 4 аллеля, Got-3, Lap-2, Skdh-2, Fdh. Gdh. 6-Pgd-2 - no 3 аллеля. Семь локусов: Got-1, Mdh-I, Mdh-2, Sod-2, Pgi-1, Pepea и 6-Pgd-3 являются диаллельными.

Наиболее низкий уровень изменчивости среди полиморфных локусов имеют локусы: Got-1, Mdh-I, Mdh-2, Pgi-1, Pepea, 6-Pgd-3. Среднее значение наблюдаемой гетерозиготности для этих локусов варьирует от 0.0027 до 0.0186. Локусы Got-2. Got-3. Lap-1. Skdh-2. Mdh-3, ldh-2, Pgm-2 и Pgi-2 характеризуются средними показателями гетерозиготности. Самый высокий уровень изменчивости установлен для локусов Lap-2. Skdh-1. Sod-2. Fdh, Gdh и 6-Pgd-2. Альтернативные аллели указанных локусов встречаются в популяциях с частотой, достигающей в ряде случаев 25-30% и более.

Среднее значение наблюдаемой гетерозиготности для этих локусов варьирует от 0.3316 (6-Pgd-2) до 0.4310 (Sod-2).

Около 46% выявленных аллелей (30 из 65) являются общими для изученных популяций ели сибирской. Двадцать восемь аллелей относятся к категории редких. Средние частоты этих аллелей в совокупной выборке деревьев не превышают 1.5%. Десять редких аллелей (Got-2n, Got-283, Got-3w9, Mdh-l"'\ Kídh-Í\ Mdh-3Mdh-3". Pgm-2"'2, Pgm-297, Pepea95) можно рассматривать как уникальные, поскольку они встречаются только в какой-либо одной из популяций. Большинство редких аллелей не являются приуроченными к какому-либо географическому району и могут встречаться одновременно в различных популяциях, часто значительно удаленных друг от друга.

Сравнительный анализ популяций показал, что, несмотря па значительное сходство их генетических структур, обусловленное большим числом общих аллелей, многие из которых имеют высокую частоту встречаемости во всех популяциях, практически каждая из исследованных популяций ели сибирской характеризуется той или иной степенью своеобразия по числу, составу и частотам встречаемости аллелей. Так, общее число выявленных в отдельных популяциях аллелей варьирует от 36 до 49, редких - от 2 до 10, уникальных - от 0 до 4. Наибольшее аллелыюе разнообразие, в основном за счет редких и уникальных аллелей, наблюдается в популяции ели из Енисейского района Красноярского края (Ялань). Доля редких',' аллелей, обнаруженных в этой популяции, составляет 20.41%, уникальных аллсЛей 8.16%. Наиболее низкое число аллелей выявлено в популяциях из южных горных районов исследуемой части ареала ели сибирской (Хандагайты 1, Хандагайты 2, Гуран. Ручей, Арадан).

Существенно варьировали в изученных популяциях ели и частоты аллелей. В ряде случаев различия в частотах достигали 20% и более. Однако выраженного географического тренда в изменении частот аллелей не прослеживается ни для одного из проанализированных полиморфных локусов.

Заметные различия между популяциями ели сибирской наблюдаются также по составу и частотам генотипов. Всего в исследованных популяциях идентифицировано 82 генотипа, 17 из них являются уникальными. Наибольшее число генотипов обнаружено в локусе Mdh-3 (8). В остальных полиморфных локусах число выявленных генотипов варьирует от 2 (Got-1, Mdh-1, Mdh-2, Pg¡-1, Pepea, 6-Pgd-3) до 6 (Lap-1, Skdh-1, Pgi-2, 6-Pgd-2). Сопоставление наблюдаемых и ожидаемых в соответствии с законом Харди-Вайнбсрга распределений генотипов в полиморфных локусах показало, что исследованная в регионе ель сибирская в целом находится в состоянии, близком к равновесному.

Полученные в результате анализа генетической структуры популяций данные свидетельствуют о генетической неоднородности ели сибирской в исследованной части ареала. Существенный вклад в формирование внутривидового аллельпого разнообразия вносят как общие, так и редкие аллели. Достоверность межпопуляционной гетерогенности аллельных частот полиморфных локусов подтверждается результатами /2-тсста на гетерогенность (х' = 900.589, df = 559, Р<0.001) (табл. 2).

Таблица 2

Гетерогенность аллельных частот ели сибирской

Локус Число аллелей х2 Число степеней свободы (dl") Уровень значимости (Р)

Go1-1 2 26.350 13 0.0152*

Got-2 4 75.453 39 0.0004***

Gol-3 3 39.052 26 0.0482*

Lap-1 5 92.853 52 0.0004***

Lap-2 3 40.806 26 0.0325*

Skdh-I 4 75.977 39 0.0004***

Skdh-2 3 48.215 26 0.0051**

Mdh-I 2 12.943 13 0.4522

Mdh-2 2 11.549 13 0.5649

Mdh-3 5 64.627 52 0.1123

ldh-2 5 112.787 52 0.0000***

Sod-2 2 12.294 13 0.5037

Fdh 3 33.708 26 0.1425

Gdh 3 47.263 26 0.0066**

Pgm-2 4 93.254 39 0.0000***

Pgi-1 2 9.694 13 0.7188

Pgi-2 4 39.208 39 0.4605

Pepca 2 11.549 13 0.5649

6-Pgd-2 3 41.463 26 0.0279*

6-Pgd-3 2 11.546 13 0.5652

В целом 900.589 559 0.0000***

Примечание: уровни значимости * Р<0.05; ** Р0.01; *** Р0.001

4.2. Уровни генетической изменчивости в природных популяциях ели сибирской

Все включенные в исследование популяции ели сибирской характеризуются достаточно высоким уровнем генетического разнообразия, сопоставимым с уровнем изменчивости других видов рода Picea [Yeh, EI-Kassaby, 1980; Cheliak et al., 1985; Yeh. Arnott, 1986; Alden, Loopstra, 1987; Shea, 1990; Giannini et al., 1991; Wang. Macdonald, 1992; Hawley, DeHayes, 1994; Krutovskii, Bergmann, 1995; Янбаев и др., 1997; Гончаренко. Падутов. 2001; Падушв, 2001,2002; Янбаев, 2002; Погенко, 2004; Шигапов, 2005 и др.].

Доля полиморфных локусов при 95%-ном критерии полиморфности (РЧ5) колеблется от 50% до 59.10%, при 100%-ном критерии (Р100) - от 54.55% до 81.82%. Среднее число аллелей на локус (А), изменяется от 1.64 до 2.23, наблюдаемая (Н„) и ожидаемая (Нс) гетерозиготности - от 0.144 до 0.186 и от 0.146 до 0.185, соответственно. Эффективное число аллелей варьирует от 1.22 до 1.29 (табл. 3).

Наиболее высокие значения практически всех показателей генетической изменчивости наблюдаются у ели сибирской, произрастающей на территории Енисейского района Красноярского края (популяция Ялань). Следует, однако, отметить, что в популяциях Хандагайты 1 (Тыва) и Степановка (Ирбейский район Красноярского края), характеризующихся более низким уровнем полиморфизма и меньшим аллсльным разнообразием по сравнению с популяцией Ялань. средние величины ожидаемой и наблюдаемой гетерозиготности оказались такими же высокими, как и в популяции Ялань. Самые низкие значения как ожидаемой, так и

наблюдаемой гетерозиготности установлены в популяции Арадан, расположенной в горнотаежном поясе Западного Саяна (Ермаковский район Красноярского края).

Таблица 3

Значения основных показателей генетического разнообразия в природных популяциях ели сибирской

Популяции N' Р95,% Р.00,% А п,. Не н„

Туран 27 50.00 63.64 1.72±0.13 1.27±0.07 0.170±0.041 0.172±0.043

Хандагайты 1 20 54.50 54.55 1.64±0.14 1.29±0.07 0.181±0.041 0.186±0.041

Хандагайты 2 20 54.50 59.09 1.68±0.14 1.22±0.06 0.151±0.03б 0.156±0.036

Ручей 25 50.00 59.09 1.73±0.15 1.23±0.06 0.158±0.035 0.148±0.035

Арадан 28 54.50 54.55 1.68±0.15 1.22±0.06 0.146±0.036 0.146±0.035

Еловка 30 54.50 59.09 1.82±0.17 1.25±0.06 0.168±0.037 0.159±0.039

Козулька 22 50.00 63.64 1.86±0.16 1.23±0.06 0.153±0.036 0.149±0.035

Татарка 30 50.00 63.64 1.82±0.16 1.23±0.06 0.155±0.036 0.167±0.038

Зареченка 30 54.50 63.64 2.00±0.20 1.23±0.06 0.159±0.035 0.144±0.033

Б. Мурта 26 50.00 68.18 2.04±0.18 1.27±0.06 0.177±0.038 0.173±0.040

Степановка 30 54.55 59.09 1.82±0.17 1.27±0.06 0.180±0.039 0.18()±0.037

Ялань 30 59.10 81.82 2.23±0.18 1.27±0.06 0.185±0.035 0.181±0.035

Туруханск 30 59.10 68.18 2.00±0.19 1.27±0.07 0.178±0.038 0.162±0.033

Томск 28 54.55 68.18 1.86±0.15 1.23±0.05 0.160±0.034 0.151±0.034

В целом для вида 376 54.55 90.91 2.95±0.26 1.25±0.06 0.168±0.035 0.162±0.034

Примечание: * - число деревьев (шт); ± стандартная ошибка

В целом в совокупной выборке популяций этого вида в полиморфном состоянии находится 90.91% проанализированных локусов. Среднее число аллелей на локус равно 2.95, эффективное число аллелей - 1.25. Средние для вида значения наблюдаемой и ожидаемой гетерозиготности составляют соответственно 0.162 и 0.168.

ГЛАВА 5. ПОДРАЗДЕЛЕННОСТЬ И ВНУТРИВИДОВАЯ ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ПОПУЛЯЦИЙ ЕЛИ СИБИРСКОЙ

5.1. Оценка равновесия и подразделеиности популяций ели сибирской

С помощью показателей F-статистики Райта [Wright, 1965; Gurics, Ledig. 1982] были определены популяционная структура и степень подразделеиности изученных популяций ели сибирской. Значения коэффициентов инбридинга особи относительно популяции (F¡s), инбридинга особи относительно вида (F¡,) и инбридинга популяции относительно вида (Fsl), рассчитанных для каждого из проанализированных локусов ели сибирской и в целом для вида, представлены в таблице 4.

Таблица 4

Значение показателей Е-статистик Ранта для полиморфных локусов

ели сибирской

Локус Fis Fi, Fs,

Got-1 -0.0435 -0.0048 0.0371

Got-2 -0.0442 -0.0145 0.0285

Got-3 -0.0083 0.0309 0.0388

Lap-J 0.1628 0.1877 0.0297

Lap-2 0.0048 0.0309 0.0263

Skdh-I 0.0102 0.0317 0.0216

Skdh-2 -0.0424 0.0017 0.0423

Mdh-l -0.0189 -0.0013 0.0172

Mdh-2 -0.0169 -0.0012 0.0155

Mdh-3 -0.0093 0.0141 0.0232

Idh-2 -0.0582 -0.0176 0.0383

Sod-2 -0.0198 -0.0022 0.0172

Fdh 0.0300 0.0626 0.0336

Gdh -0.0488 -0.0221 0.0254

Pgm-2 0.1136 0.1650 0.0580

Pgi-1 -0.0186 -0.0052 0.0131

Pgi-2 -0.0359 -0.0142 0.0209

Pepca -0.0169 -0.0012 0.0155

6-Pgd-2 -0.0120 0.0121 0.0238

6-Pgd-3 -0.0256 -0.0096 0.0156

Среднее 0.0015 0.0298 0.0283

Из приведенных в таблице 4 данных видно, что величина коэффициента Fis варьирует от -0.0582 (Idh-2) до 0.1628 (Lap-1), составляя в среднем 0.0015. Положительное среднее значение F;s говорит о 0.15%-ном недостатке гегерозигот, который существует в каждой статистически средней популяции относительно ожидаемых в соответствии с законом Харди-Вайнберга. Коэффициент Fi, также имеет положительное значение и равняется в среднем 0.0298, что указывает на 2.98% недостаток гетерозиготных генотипов у вида в исследованной части ареала в целом. Невысокие средние значения F;s и Fit подтверждают сделанное нами ранее на основе сравнительного анализа наблюдаемого и ожидаемого распределения генотипов заключения о том, что изученные популяции ели сибирской близки к состоянию равновесия по Харди-Вайнбергу.

Показатель Fsl, отражающий степень подразделенности популяций, варьировал от 0.0131 (Pgi-1) до 0.0580 (Pgm-2). Среднее значение FS| по всем локусам составило 0.0283. Это означает, что большая часть генетической изменчивости, выявленной у ели сибирской в исследуемом регионе, реализуется внутри популяций и только 2.83% распределяется между популяциями, что указывает на слабую подразделснность этого вида в изученной части ареала. Полученное значение находится в пределах показателей, установленных при исследовании популяций ели сибирской из других районов ее естественного распространения [Гончаренко, Потенко. 1991а: Krulovskii. Bergmann, 1995: Ганиев, 2000; Янбаев, 2002; Шигапов, 2005 и др.].

Значение показателя rst в разных районах иеследовзшюи части ареала ели сибирской существенно различается. Наиболее неоднородными по генетической структуре оказались географически близкие популяции ели из южных горных районов (Хандагайты 1, Хандагайты 2, Туран, Ручей, Арадан). Значение Fs, для этой группы популяций (Fs, = 0.0367) было в 1.8 раза выше по сравнению со значением Fsl для популяций ели равнинных территорий, многие из которых значительно удалены друг от друга географически (Fsl = 0.0199).

5.2. Внутривидовая генетическая дифференциация популяций ели сибирской

Степень генетических различий между исследованными популяциями ели сибирской была установлена на основании генетических расстояний D М. Ней [Nei, 1972], рассчитанных между сравниваемыми парами популяций но частотам аллелей 22 проанализированных локусов, включая и мономорфные.

Из приведенных в таблице 5 данных видно, что значения D между популяциями ели сибирской варьируют в достаточно широких пределах: от 0.0019 до 0.0128. составляя в среднем 0.0060. Полученное значение D свидетельству ет о низком в целом уровне межпопуляционной дифференциации ели сибирской в изученной части ее ареала.

Наиболее близкими по генетической структуре оказались популяции ели (Еловка. Татарка, Зареченка, Большая Мурта, Козулька, Томск, Ялань), расположенные в подзоне южной тайги. Среднее генетическое расстояние между ними изменяется от 0.0019 до 0.0087, составляя в среднем 0.0046. Среди исследованных в этой подзоне популяций существенные статистически достоверные различия по частотам аллелей выявлены лишь между популяциями Ялань и Еловка, Ялань и Козулька, Большая Мурта и Еловка (D = 0.0058, 0.0077, 0.0087, соответственно). Практически не отличается от южнотаежных популяция из Туруханска, расположенная в подзоне северной тайги. Генетическое расстояние между этими популяциями было в среднем (D = 0.0036) даже меньше, чем между популяциями в пределах южнотаежной подзоны. Попарное сравнение южнотаежных и северотаежной популяций не выявило достоверных различий между ними. В то же время популяция Степановка, расположенная в подтаежной подзоне (Нрбейский район Красноярского края), имеет небольшие, но статистически достоверные отличия по генетической структуре от южнотаежных популяций (D = 0.0052).

Самый высокий уровень генетической дифференциации среди исследованных популяций наблюдается между популяциями ели сибирской, произрастающей в южной горной части исследованной территории (Хандагайты 1, Хандагайты 2, Туран, Ручей, Арадан). Генетическое расстояние D между сравниваемыми парами горных популяций варьирует от 0.0056 до 0.0128, составляя в среднем 0.0089. Наиболее существенные различия в генетической структуре (D = 0.0113) обнаруживают популяции из Тывы, две из которых (Хандагайты 1, Хандагайты 2) расположены недалеко друг от друга на юге республики вблизи южного предела распространения вида, а одна (Туран) на 2° севернее. В меньшей степени различаются между собой (D = 0.0065) популяции Арадан и Ручей, расположенные в горнотаежном поясе Западного Саяна (Ермаковский район Красноярского края).

Сравнительный анализ значений D показал, что популяции ели сибирской, произрастающей в горах в условиях горнотаежного пояса и горной степи, дифференцированы друг от друга в большей степени, чем от популяций, относящихся к другим лесорастительным подзонам. Так, среднее генетическое расстояние между горными популяциями и популяцией из подтаежной подзоны равно 0.0075, между горными и южнотаежными популяциями - 0.0066, между горными и северотаежной популяцией - 0.0060.

Более высокий по сравнению с равнинными популяциями уровень генетической дифференциации популяций ели в горной части исследованного ареала, характеризующейся значительной гетерогенностью всех факторов среды, может быть объяснен действием локального дифференцирующего отбора. По мнению К.В. Крутовского с соавторами [1989], значительные различия в экологических условиях в пределах горных территорий обусловливают репродуктивную изоляцию популяций, различия в векторах отбора и других факторов микроэволюции и могут привести к локальной генетической дифференциации популяций. Подтверждением данного предположения является более значительная среди горных популяций генетическая гетерогенность ели сибирской в горах Южной Тывы, где хвойные леса с участием этого вида распространены небольшими изолированными участками в составе холодной лесостепи в окружении степных сообществ [Ермаков, 2003].

Для выявления более точной картины генетических взаимоотношений между исследованными в регионе популяциями ели сибирской посредством невзвешенного парно-группового метода кластерного анализа (UPGMA) на основании генетических расстояний D была построена дендрограмма, позволяющая наглядно проиллюстрировать установленный уровень межпопуляционной дифференциации (рис. 2).

Ручей Козулька Арадан Еловка Татарка Зареченка Томск Б. Мурта Туруханск Ялань Степановка Туран

Хандагайты 1 Хандагзйты 2

0,009 0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 5|001 Генетическое расстояние, D

Рис. 2. Дендрограмма сходства популяций ели сибирской, построенная на основе генетических расстояний М. Ней [1972]. Значения бутстрепа приведены при соответствующих узлах ветвления

На рисунке 2 видно, что пять южнотаежных (Еловка, Татарка, Зареченка. Томск. К. Мурта) и близкая к ним по генетической структуре севсротаежная (Туруханск)

популяции образуют отдельный кластер, устойчивость которого подкрепляется значениями бутстрепа. Ближе всех к выделенному кластеру оказалась популяция Арадан из горнотаежного пояса Западного Саяна. Затем к ним присоединились объединившиеся в отдельную, достаточно устойчивую группу популяции Козулька и Ручей, одна из которых расположена в предгорьях Восточного Саяна, а вторая - в горнотаежном поясе Западного Саяна. Объединение популяций Ялань (южная тайга) и Степановка (подтайга) с основной группой популяций произошло при генетическом расстоянии Э, равном 0.0056.

Обособленное положение на дендрограмме занимают тувинские популяции ели сибирской (Туран, Хандагайты 1, Хандагайты 2), однако, вследствие своей значительной генетической дифференциации, самостоятельного кластера они не образуют, а присоединяются к группе популяций последовательно.

Расположение изученных популяций ели сибирской на плоскости двух главных компонент дало в целом сходную картину генетической дифференциации популяций (рис. 3).

1,0

0.8

и 0,6 н я

I 0.4 п

§ 0,2 ¡5

1 Ё

§ -0.2 в. о н

т -о.4 -0,6 -0.8

-1,2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 Первая главная компонента

Рис. 3. Ординация исследованных популяций ели сибирской на плоскости двух главных компонент

На рисунке 3 видно, что две тувинские популяции Хандагайты 1 и Хандагайты 2 значительно удалены как от близкой им географически популяции Туран, так и от популяций из других районов исследованной части ареала ели сибирской. На некотором удалении от основной группы популяций находится и популяция Ялань из Енисейского района Красноярского края, отличающаяся от изученных в регионе популяций более высокими значениями практически всех показателей изменчивости, повышенной частотой редких и уникальных аллелей.

Анализ внутривидового генетического разнообразия ели сибирской по изоферменгным локусам показал, что степень дифференциации популяций не всегда отражает их географическое расположение. Это заключение подтверждается полученными ранее на основании анализа морфологических признаков данными о слабой взаимосвязи межпопуляционной дифференциации вида в исследованной части ареала с географическими районами произрастания отдельных популяций [Говорин. 1992]. По всей вероятности, это связано с тем, что ель сибирская в изученном регионе

#Ялань Хандагайты

^Степановка

#Томск

^Татарка

#3ареченка фРучей

турухакск^ .БМурта

#Еповка ^Туран

^Арадан

^Козуаька ^Хандагайты 2

является интразональным видом, не привязанным к определенной лесорастительной зоне, распространение которого обусловлено в основном локальными экологическими условиями [Сукачев, 1928; Поликарпов, и др., 1986]. Данный вывод согласуется с результатами исследования роста и состояния различных экотипов (климатипов) ели сибирской в географических культурах [Милютин, Терентьев, 1999], а также результатами изучения изменчивости ряда морфологических признаков вида на территории Средней Сибири [Говорин, 1992].

ВЫВОДЫ

1. В результате электрофоретического исследования 12 ферментов (MDH, SKDH, 6-PGD, IDH, РЕРСА, GOT, FDH, LAP, PGI, PGM, SOD, GDH) ели сибирской в 14 популяциях, расположенных на территории Красноярского края, Тывы и Томской области, обнаружено 65 аллозимных вариантов, контролируемых 22 локусами. Выявленные варианты ферментов наследуются как моногенные признаки и могут быть использованы в качестве маркеров структурных генов при исследовании внутривидового разнообразия и дифференциации популяций этого вида.

2. Анализ генетической структуры популяций показал, что около половины (46%) выявленных аллелей являются общими для популяций. Кроме того, во всех популяциях в каждом локусе преобладает общий аллель, что свидетельствует о схожести генетической структуры ели в исследованном регионе. Различия между популяциями проявляются в основном по частотам общих и составу редких аллелей. Наибольшее аллелыюе разнообразие наблюдается в южнотаежной популяции ели из Енисейского района Красноярского края (Ялань), наименьшее - в горной популяции из Тывы (Хандагайты 1).

3. Исследованные в регионе популяции ели сибирской находятся в состоянии, близком к равновесному. Наблюдаемое в совокупной выборке популяций ели соотношение генотипов не отличается от ожидаемого в соответствии с законом Харди-Вайнберга. Значение показателя Fis, отражающего инбридинг особи относительно популяции, составляет всего 0.15%, относительно вида в целом- 2.98%.

4. Оценка основных параметров генетического разнообразия показала, что произрастающая в исследованной части ареала ель сибирская характеризуется достаточно высоким уровнем генетической изменчивости. В полиморфном состоянии находится 90.9% проанализированных локусов. Среднее число аллелей на локус составляет 2.95, эффективное число аллелей - 1.25, средняя наблюдаемая и средняя ожидаемая гетерозиготности равны соответственно 0.162 и 0.168.

5. Большая часть выявленной у ели сибирской изменчивости распределяется внутри популяций. На долю межпопуляционной составляющей изменчивости (Fsl) приходится лишь 2.83%, что указывает на слабые в целом различия между популяциями ели сибирской в исследованной части ареала.

6. Степень генетической дифференциации популяций ели в изученном регионе не зависит от их географического расположения. Наиболее неоднородными среди изученных популяций оказались популяции ели из горных местообитаний. Генетическое расстояние между ними (D = 0.0089) почти в 2 раза больше генетического расстояния между равнинными популяциям (D = 0.0046), многие из которых значительно удалены друг от друга географически. По всей вероятности, это связано с действием локального дифференцирующего отбора, вызванного значительной гетерогенностью экологических условий в пределах горных территорий.

7. Популяции ели сибирской, расположенные в горных районах Тывы вблизи южной границы распространения вида существенно отличаются по генетической структуре как друг от друга (D = 0.0108), так и от других включенных в анализ популяций этого вида. Уровень наблюдаемых между ними различий сопоставим с уровнем различий, характерным для географически удаленных друг от друга популяций.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Ларионова А.Я. Генетическое разнообразие и дифференциация популяций лесообразующих видов хвойных в Средней Сибири / А.Я. Ларионова, А.Н.Кравченко, А.К. Экарт, Н.В. Орешкова // Хвойные бореальной зоны. - 2007. -Т. 24, №2-3.-С. 235-242.

2. Кравченко А.Н. Генетический полиморфизм ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) в Средней Сибири / А.Н. Кравченко, А.Я. Ларионова, Л.И. Милютин // Генетика. - 2008. - Т. 44, № 1. - С. 45-53.

В других изданиях:

3. Кравченко А.Н. Генетический полиморфизм ели сибирской в Западном Саяне // Исследование компонентов лесных экосистем Сибири: матер, конф. молодых ученых, 30-31 марта, 2004 г. - Красноярск: Ин-т леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2004.-С. 38-40.

4. Ларионова А.Я. Генетическое разнообразие хвойных в Сибири / А.Я. Ларионова, А.К. Экарт, А.Н. Кравченко, Н.В. Яхнева, Д.В. Политов, М.М. Белоконь, Ю.С. Белоконь // Структурно-функциональная организация и динамика лесов: матер. Всеросс. конф., посвященной 60-летию Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН и 70-летию образования Красноярского края, 1-3 сент. 2004 г. - Красноярск: Ин-т леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2004. - С. 53-55.

5. Кравченко А.Н. Генетическая изменчивость и дифференциация популяций ели сибирской в Западном Саяне / А.Н. Кравченко, А.Я. Ларионова, Д.В. Политов, М.М. Белоконь, Ю.С. Белоконь // Вестник Томского госуниверситета: матер. Ill Междунар. конф. «Проблемы вида и видообразования», 20-22 окт. 2004 г. - Томск: ТГУ, 2004. - Приложение № 10. - С. 38-40.

6. Экарт А.К. Генетическое разнообразие и популяционная структура Abies sibirica Ledeb. и Picea obovata Ledeb. в Средней Сибири / А.К. Экарт. А.Н. Кравченко, А.Я. Ларионова // Природная и антропогенная динамика наземных экосистем: матер. Всеросс. конф., 11-15 окт. 2005 г. - Иркутск, 2005. - С. 88-91.

7. Милютин Л.И. Исследование популяционных генофондов лесообразующих видов древесных растений Сибири с целью сохранения, отбора и рационального использования ценных популяций / Л.И. Милютин, E.H. Муратова, А.Я.Ларионова, О.С. Владимирова, А.Н. Кравченко, А.К. Экарт, О.В. Квитко // Динамика генофондов растений, животных и человека: отчетная конф. по программе фундаментальных исследований РАН. - М.: ИОГен РАН, 2005. - С. 87-89.

8. Кравченко А.Н. Генетический контроль изоферментов ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) в Прненисейской Сибири / А.Н. Кравченко, Я.А. Ларионова // Вестник СВНЦ ДВО РАН. - 2006. - № 2. - С. 67-74.

9. Кравченко А.Н. Генетическая изменчивость и дифференциация природных популяций ели сибирской в Средней Сибири / А.Н. Кравченко, А.Я.Ларионова // Лесные экосистемы Северо-восточной Азии и их динамика: матер. Междунар. конф.. 22-26 авг. 2006 г. - Владивосток, 2006. - С. 205-208.

УОП ИЛ СО РАН Заказ № 75, тираж 100 экз.