ГЕНЕТИКА, 2015, том 5l, № lO, с. lll7-ll25
ГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙ
УДК 575.174.015.3:582.475.2
ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГАПЛОТИПОВ ВТОРОГО ИНТРОНА ГЕНА nadl В ПОПУЛЯЦИЯХ КОМПЛЕКСА ЕВРОПЕЙСКОЙ И СИБИРСКОЙ ЕЛЕЙ (Picea abies-P. obovata)
© 2015 г. Е. А. Мудрик, Т. А. Полякова, А. В. Шатохина, Г. Н. Бондаренко, Д. В. Политов
Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук, Москва 119991 e-mail: mudrik@vigg.ru, dmitri_p@inbox.ru Поступила в редакцию 05.02.2015 г.
Изучено разнообразие гаплотипов второго интрона гена nad1 митохондриальной ДНК в комплексе популяций европейской и сибирской елей (Picea abies (L.) H. Karst.—P. obovata Ledeb.). Проанализированы 22 природные популяции и 15 провениенций географических культур. Североевропейская гаплогруппа (721, 755, 789, 823, 857, 891, 925) распространена в исследованных российских популяциях до Урала включительно. В сибирских и дальневосточных популяциях преобладает гапло-тип 712. Впервые для P. obovata был обнаружен новый вариант сибирской гаплогруппы 780, содержащий три копии первого минисателлитного мотива длиной 34 пн. Отсутствие в ранее маркированной по морфологии и аллозимным локусам зоне интрогрессии P. abies и P. obovata популяций, обладающих и североевропейскими, и сибирскими гаплотипами, указывает на более резкую географическую границу между митохондриальными гаплогруппами комплекса европейской и сибирской елей. Высокое значение межпопуляционной компоненты изменчивости (65%) свидетельствует о высокой генетической подразделенности европейских и сибирских популяций ели по митохон-дриальной ДНК, вероятно обусловленной естественными барьерами для распространения семян (например, безлесными участками Западно-Сибирской равнины в плейстоцене и, возможно, поймами крупных рек).
Ключевые слова: ель, комплекс Picea abies—P. obovata, второй интрон гена nad1, изменчивость гапло-типов, генетическая дифференциация.
DOI: 10.7868/S0016675815100124
Ели Северной Евразии всегда привлекали внимание исследователей морфологической и генетической изменчивости не только из-за необходимости охраны генетических ресурсов этих чрезвычайно важных в экономическом и экологическом отношении видов хвойных растений. Иерархическая система популяций елей Пале-арктики стала классическим примером модельного объекта для изучения микроэволюции взаимосвязанных генофондов близких видов в условиях динамичных преобразований окружающей среды [1—4]. Эти изменения имели место в плейстоцене и раннем голоцене, когда происходили наиболее резкие трансформации ареалов елей. Динамика наблюдается и в настоящее время в связи с адаптацией видов и гибридных комплексов елей к глобальным климатическим сдвигам (см., например, [5]), что ставит задачу анализа их популяционно-генетической структуры, актуальной как в фундаментальном плане, так и в лесохо-зяйственном отношении.
Ель европейская Picea abies (L.) H. Karst. и ель сибирская P. obovata Ledeb. — пара викарирующих
видов, суммарный ареал которых является одним из самых обширных в мировой флоре древесных хвойных растений [2]. В целом ареал ели европейской включает две части, которые условно можно назвать северной (бореальной) и южной, разделенной, в свою очередь, на герцинско-карпат-скую и альпийскую. Южные популяции населяют Центральную и часть Южной Европы (Альпы, Татры, Карпаты и прилегающие территории), северные распространены в Фенноскандии, Прибалтике, Польше и на части остальной Восточной Европы [1]. Считается, что ель сибирская в чистом виде произрастает на Севере Европейской части России, на Северном Урале, в Сибири вплоть до Охотоморского побережья [2, 6], а также на юго-востоке — до Приамурья и Приморья, где она формирует гибридные популяции с елью корейской (Picea koraiensis Nakai.) [7].
Фенотипические различия между типичными представителями номинативных видов описаны достаточно давно [1, 2, 8—11]. У P. abies крона шире, шишки и семена крупнее, угол закругления семенной чешуи острее, а ее край неровный или
зазубренный. Для P. obovata характерны более узкая крона, мелкие шишки и семена, тупой и гладкий край семенной чешуи. Два вида образуют обширную зону интрогрессии в Северной и Восточной Европе, на Урале и в Западной Сибири, где по комплексу этих диагностических признаков наблюдается интерградация, причем изменения средних значений признаков носят клинальный характер [3, 4, 12—15].
Внутрипопуляционное разнообразие и генетические различия популяций европейской и сибирской елей достаточно подробно описаны с помощью аллозимов [16—22]. При этом клинальная изменчивость в различных частях зоны интрогрессии хорошо прослеживается по частотам аллелей аллозимных локусов [16, 17, 21, 22], в полиморфизме которых есть и нейтральная, и селективно значимая компоненты. Данные по изменчивости ядерных микросателлитных локу-сов охватывают преимущественно южную и северную группу европейских популяций [23], тогда как большая часть зоны интрогрессии и ареал ели сибирской изучены спорадически [24—27]. Это же относится и к полиморфизму митохон-дриального гена nadl [28—33]. Данные по селективно нейтральным маркерам крайне важны для понимания механизмов формирования и поддержания генетической изменчивости, маркирующей генные комплексы и критичной для адаптации популяционных систем в современную эпоху. Митохондриальная ДНК (мтДНК) растений, как и у животных, наследуется клонально по материнской линии и является важным инструментом филогеографических реконструкций, поскольку в норме не рекомбинирует и вследствие этого несет в себе мощный эволюционный сигнал из прошлого [34].
Цель работы — анализ пространственного распределения гаплотипов и гаплогрупп второго ин-трона гена nadl у елей комплекса Picea abies— P. obovata в Восточной Европе, на Урале, в Сибири и на Дальнем Востоке для определения уровней генетической дифференциации по данному локусу. Особое внимание мы уделяли обнаружению гаплотипов, типичных для P. obovata, в зоне предполагаемой интрогрессии, маркированной ранее по исследованиям морфологических признаков и частот аллозимных локусов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Растительный материал. В исследовании были использованы образцы тканей 488 деревьев из 37 выборок (22 природных популяций и 15 прове-ниенций в географических культурах) ели комплекса P. abies—P. obovata, представляющих Восточную Европу (Польша, Белоруссия, Украина), Фенноскандию (Швеция), Прибалтику (Эстония), Европейскую часть России (Республика Ка-
релия, Мурманская, Архангельская, Вологодская, Тверская, Костромская, Московская обл., Республика Коми), Урал (Республика Башкортостан, Пермский край, Челябинская, Свердловская обл.), Сибирь (Ямало-Ненецкий и Ханты-Мансийский АО, Красноярский край, Иркутская обл., Республики Бурятия и Саха (Якутия)), Дальний Восток (Хабаровский край) и Северо-Восток (Магаданская обл.) России. Растительный материал из 14 географических культур (за исключением выборки Вельск) был собран на опытном объекте Всероссийского научно-исследовательского института генетики, селекции и биотехнологии (ВНИИЛГИСбиотех) в Задонском лесхозе Хлевинского лесничества Липецкой области. Провениенция Вельск заложена в географических культурах Московского государственного университета леса (МГУЛ) в Солнечногорском районе Московской области. Описание изученных выборок и количество исследованных в них деревьев представлены в табл. 1.
Молекулярно-генетический и статистический анализы. Выделение ДНК осуществляли из вегетативных почек или хвои СТАВ-методом [34а] и с помощью набора DimondDNA Plant Issue Kit (Барнаул, Россия). Анализ изменчивости второго интрона гена nadl мтДНК проводили в два этапа: с помощью фрагментного анализа на базе Центра коллективного пользования (ЦКП) ИОГен РАН и последующего секвенирования идентифицированных гаплотипов на генетическом анализаторе ABI 3130 GeneticAnalyzer (Applied Biosystems®, США) в ЗАО Евроген (Москва, Россия). Последовательности праймеров для полимеразной цепной реакции (ПЦР) были взяты из работы Speris-en et al. [29] с поправкой (F. Gugerli, личн. сообщ.). Во фрагментном анализе использовали ПЦР-продукт с меченным флуоресцентным красителем FAM прямым праймером. Для секвенирова-ния был задействован только прямой праймер. Последовательность нуклеотидов прямого прай-мера: 5'-CTCTCCCTCACCCATATGATG-3', обратного: 5'-AGATCCCCATATATTCCCGG-3'. Для приготовления ПЦР использовали набор реагентов GenPak PCR Core (OOO "Лаборатория Изо-ген") согласно рекомендациям производителя. Температурный профиль ПЦР включал следующие этапы [29]: первичная денатурация при 94° С
— 3 мин, далее 26 циклов, включающих денатурацию при 94°С — 1 мин, отжиг праймеров при 57°С
— 1 мин, элонгацию при 72°С — 2 мин, и завершающая элонгация при 72° С — 5 мин. Для проведения ПЦР использовали ДНК-амплификатор Dyad Peltier Thermal Cycler (BioRad Laboratories, Inc., США). Сочетание фрагментного анализа с секве-нированием позволило не только установить размеры митохондриальных вариантов анализируемого участка гена, но и отслеживать инсерции, делеции и замены нуклеотидов, различающие си-
Таблица 1. Изученные выборки ели комплекса Picea abies—P. obovata и обнаруженные в них гаплотипы второго интрона гена nadl
№ п.п. Код выборки Тип выборки Широта Долгота Регион Страна/область/республика/край/район/лесхоз Выборка N <N К 780 # R Й к ■о 746 # ■о
1 Рахо Г К* 48.04 24.20 В. Европа Украина, Закарпатская обл., Раховскийл/х Рахов 15 8 7
2 Бвеж ЕП** 52.72 23.84 В. Европа Польша, Подляское воеводство Беловежская Пуща 15 1 14
3 Шве1 ЕП *** *** Фенноскандия Швеция Швеция-1 14 12 2
4 Виль ГК 58.36 25.59 Прибалтика Эстония, Вильяндинский л/х Вильянди 15 11 3 1
5 Боро ЕП 54.96 28.80 В. Европа Белоруссия, Витебская обл., Боровка-1 Боровка-1 15 11 1 2 1
6 Медв ГК 62.93 34.45 СЗЕврРосс Карелия, Медвежьегорский л/х Медвежьегорск 15 8 3 3 1
7 Лапл ЕП 67.65 32.65 СЗЕврРосс Мурманская обл., Лапландский заповедник Лапландский 5 3 2
8 Иман ЕП 67.58 33.18 СЗЕврРосс Мурманская обл., Апатиты, Имандра Имандра 15 15
9 Киро ЕП 67.6
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.