ГЕНЕТИКА, 2007, том 43, № 12, с. 1627-1636
^ ГЕНЕТИКА ^^^^^^^^^^^^^^^^
РАСТЕНИЙ
УДК 575.17:582.475.2(477.8)
ПОПУЛЯЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ЕЛИ ЕВРОПЕЙСКОЙ (Picea abies (L.) Karst.) В УКРАИНСКИХ КАРПАТАХ
© 2007 г. И. И. Коршиков, С. Н. Привалихин
Донецкий ботанический сад Национальной академии наук Украины, Донецк 83059, Украина;
факс: (+38 0622) 94-11-90; e-mail: herb@herb.dn.ua Поступила в редакцию 01.06.2006 г.
Окончательный вариант получен 15.01.2007 г.
Изучено генетическое разнообразие, подразделенность и дифференциация девяти популяций ели европейской (Picea abies (L.) Karst.) в Украинских Карпатах на основе электрофоретического анализа изменчивости девяти ферментных систем у 346 деревьев возраста 80—150 лет. В результате электрофоретического разделения в вертикальных пластинах 7.5%-ного полиакриламидного геля ферментов, экстрагируемых из эндоспермов семян, идентифицированы 20 локусов девяти ферментных систем - ADH, ACP, DIA, GDH, GOT, MDH, LAP, FDH, SOD и выявлен 71 аллельный вариант. Каждое дерево в среднем гетерозиготно по 15.8% своих генов. Популяции отличаются низким уровнем подразделенности (FST = 0.017) и дифференциации (DN = 0.005). Основной вклад в гетерогенность генетической структуры популяций вносят локусы Dia-3, Lap-1 и Sod-3. Проведенная кластеризация и многомерный анализ не позволили выявить однозначных закономерностей в географическом или высотном положении популяций.
Ареал ели европейской (Picea abies (L.) Karst.), занимающей значительные территории Европы, разделен на три изолированные области: альпийскую (альпийско-балканскую), герцинско-кар-патскую (карпатскую) и северо-балтийскую (бо-реальную), последняя из которых на востоке не имеет четкой границы, образуя обширную зону интрогрессивной гибридизации с елью сибирской (Picea obovata Ledeb.) [1-3]. В многочисленных ботанических описаниях ели европейской в XIX-XX вв., систематизированных рядом авторов, показано многообразие форм и групп ели европейской [1, 2]. Довольно детально изучено внутривидовое разнообразие P. abies и с помощью анализа аллозимной изменчивости [3-15], в том числе и в герцинско-карпатской области [3, 4, 6-8, 10, 11, 13-15]. Однако для Восточных Карпат, где доминирует в природных популяциях острочешуйчатая форма ели европейской [1], уровень генетической изменчивости выяснен фрагментарно [3, 13, 14].
Необходимость более полного выяснения по-пуляционно-генетического разнообразия P. abies в Украинских Карпатах продиктована не чисто технической задачей пополнения информации об изменчивости этого вида. Существует точка зрения, что Восточные Карпаты были центром распространения P. abies на равнины северо-восточной части Европы [1]. Для бореальных популяций этого географического района выполнен подробный анализ генетической изменчивости [3, 7] и установлено, что в Белорусско-Балтийском регионе популяции P. abies характеризуются высоким
генетическим разнообразием и низким уровнем подразделенности и дифференциации [3]. Нельзя исключить, что многообразие природно-климатических зон, эдафических и фитоценотических условий Восточных Карпат должно отражаться на напряженности факторов и векторе отбора, влияя и на генетическую структуру видов-эдификаторов лесных экосистем. В Карпатах более дифференцированными оказались популяции сосны горной (Pinus mugo Turra) [16], произрастающей локально на верхнем пределе распространения хвойных лесов, в сравнении с пихтой белой (Abies alba Mill.) [17], широко представленной в составе смешанных и темнохвойных лесов.
Цель данной работы - изучение с помощью ал-лозимных локусов генетической структуры, подразделенности, дифференциации популяций P. abies и анализ пространственного распределения генетической изменчивости этого вида в Украинских Карпатах.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Растительный материал. Объектами исследований служили девять природных популяций Р. abies в Украинских Карпатах (рис. 1). Все они находятся на охраняемых территориях. В ходе самостоятельных экспедиций в 2002-2003 гг. в этих популяциях были собраны полноценные шишки с 346 растений средней и старшей возрастных групп. Обозначения популяций, высота их распо-
1627
Рис. 1. Схема расположения популяций Picea abies (L.) Karst. в Украинских Карпатах. Популяции: CK - Сколевская, ОСв - Осмолодская (верх), ОСн - Осмолодская (низ), СВ - Синевирская, БВ - Быстрицкая (верх), БН - Быстрицкая (низ), ВТ - Ворохтянская, БД - Бредулецкая, ХА - Хомяцкая.
ложения над уровнем моря, число деревьев в выборках приведены в табл. 1.
Электрофорез. Для определения генотипа растения в качестве маркеров использовали изофер-менты девяти ферментных систем: алкогольдегид-рогеназы (ADH, К.Ф. 1.1.1.1), диафоразы (DIA, К.Ф. 1.6.4.3), глутаматоксалоацетаттрансаминазы (GOT, К.Ф. 2.6.1.1), кислой фосфатазы (ACP, К.Ф. 3.1.3.2), глутаматдегидрогеназы (GDH, К.Ф. 1.4.1.2), лейцинаминопептидазы (LAP, К.Ф. 3.4.11.1), малат-дегидрогеназы (MDH, К.Ф. 1.1.1.37), супероксид-дисмутазы (SOD, К.Ф. 1.15.1.1), формиатдегидро-геназы (FDH, К.Ф. 1.2.1.2). Электрофоретическое
разделение ферментов, экстрагируемых из восьми и более эндоспермов семян каждого растения, проводили в вертикальных гелевых пластинах 7.5%-ного полиакриламидного геля с рН разделяющего геля 8.9 в трис-глициновом электродном буфере с рН 8.3 [18, 19]. Условия электрофорети-ческого разделения изоферментов, их гистохимического окрашивания, идентификация аллельных вариантов и их сегрегация у гетерозигот Р. аЫви Украинских Карпат описаны нами ранее [20, 21]. Использованные в исследованиях локусы и аллели обозначали в соответствии с номенклатурой С. Пракаша [22].
Таблица 1. Название, административное расположение и краткая характеристика популяций P. abies в Украинских Карпатах
Административная Название Обозначение Высота Число деревьев
область Украины популяции над ур. моря, м в выборке
Ивано-Франковская Хомяцкая ХА 1300-1350 43
Бредулецкая БД 700 42
Ворохтянская ВТ 900 37
Быстрицкая, низ БН 700 38
Быстрицкая, верх БВ 1400 44
Осмолодская, низ ОСн 790 46
Осмолодская, верх ОС, 1525 30
Закарпатская Синевирская СВ 900-1000 40
Львовская Сколевская СК 1075-1100 26
Статистические методы. Для анализа генетической структуры и дифференциации популяций рассчитывали частоты аллелей в каждой выборке, наблюдаемую (H0) и ожидаемую (НЕ) гетерозигот-ность, среднее число аллелей (А) и генотипов (Pg) на локус, долю полиморфных локусов по 99%-ному (P99) критерию. Межпопуляционную аллельную и генотипическую гетерогенность оценивали при помощи стандартного %2-теста [23]. Генетическую подразделенность P. abies характеризовали, используя F-статистики Райта и G-статистику Неи [24-26]. Количественную оценку генетической дифференциации популяций проводили на основе значений генетической дистанции Неи (DN) [27]. Матрицу генетических расстояний подвергали кластерному анализу с последующим построением дендрограммы по методу невзвешенных парно-групповых арифметических средних (UPGMA). Статистическую обработку электрофоретических данных проводили при помощи компьютерных программ BIOSYS-2 (усовершенствованной версии программы BIOSYS-1 [28]) и PHYLIP-3.5c [29]. Анализ дифференциации по методу главных компонент - в пакете STATISTICA [30].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ аллелъного и генотипического разнообразия
Из 20 интерпретируемых локусов мономорф-ным в целом для карпатских популяций P. abies оказался только один - Sod-4 (табл. 2). Среди исследованных 346 деревьев одно было гетерозиготно по локусу Got-1, три - по Mdh-2 и четыре - по Sod-3. Слабополиморфными были также локусы Gdh, Dia-1, Dia-2, Fdh, Adh-2, Acp-3. К высокополиморфным локусам можно отнести Acp-2, Lap-2 и Got-3, гетерозиготность по которым в популяциях варьировала от 23.1 до 62.8%. Высокой изменчивостью характеризовались еще два локуса -Lap-1 и Dia-4, однако гетерозиготность за счет снижения нижнего уровня изменялась в популяциях в более широких пределах: от 10.8 до 64.3%.
В объединенной выборке растений P. abies выявлен 71 аллель 20 изучаемых локусов. В ранее проведенных исследованиях на ограниченных выборках из двух популяций P. abies Карпатского региона описано 67 аллелей 25 локусов, а в 13 популяциях Белорусско-Балтийского региона установлено 92 аллеля этих локусов [3]. В исследованиях Крутовского, Бергманна [7], проведенных на шести популяциях P. abies в Германии, Швеции, Белоруссии, Украине, России, интерпретировано 108 аллелей 26 локусов. По общим 11 локусам, используемым в этой работе и в наших исследованиях, описано соответственно 49 и 41 аллель [7]. Аллельное разнообразие популяций P. abies Белорусско-Балтийского и Карпатского регио-
нов по 11 общим локусам существенно не различалось, составив соответственно 42 [3] и 41 аллель.
Частоты предоминантного аллеля (1.00) по всем полиморфным локусам во всех карпатских популяциях были выше 0.500. Существенная ал-лельная гетерогенность (%2-тест) при сравнении девяти популяций установлена только для трех локусов: Dia-3, Dia-4 и Sod-3. Это свидетельство однородности генетической структуры популяций Р. abies в Украинских Карпатах.
Генотипическая структура карпатских популяций Р. abies находится в близком к равновесному состоянию, лишь по отдельным локусам наблюдаемое распределение генотипов достоверно отклонялось от ожидаемого согласно закону Хар-ди-Вайнберга. Всего таких случаев установлено четыре на девять исследуемых популяций.
Параметры генетической изменчивости
У Р. abies Украинских Карпат в среднем 80% локусов (по 99%-ному критерию) полиморфны (табл. 3). Такой же уровень полиморфности установлен для этого вида в Белорусско-Балтийском регионе [3]. В других частях ареала Р. abies средняя доля полиморфных локусов (99%-ный критерий) варьировала от 71% [8] до 80% [3]. Среднее число аллелей на локус и в целом для Р. abies в Украинских Карпатах составило 3.55, что очень близко к значению (3.68), полученному для соседнего Белорусско-Балтийского региона [3]. На один локус Р. abies в Карпатском регионе в среднем приходится 4.95 генотипов.
Уровень наблюдаемой гетерозиготности (НО) в изученных нами по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.