ГЕНЕТИКА, 2007, том 43, № 6, с. 782-789
^=ГЕНЕТИКА
РАСТЕНИЙ
УДК 575.174.015.3:582.475
СТРУКТУРА ИЗМЕНЧИВОСТИ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК ЛИСТВЕННИЦ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ И ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА
© 2007 г. В. Л. Семериков, М. А. Полежаева
Институт экологии растений и животных Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург 620144; факс: (343) 260-65-00; e-mail: semerikov@ipae.uran.ru Поступила в редакцию 01.08.2005 г.
Окончательный вариант получен 22.05.2006 г.
Генетическая изменчивость была изучена в 32 популяциях Larix Mill. в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке с помощью основанных на цепной реакции полимеризации трех митохондриаль-ных маркеров. Обнаружено восемь многолокусных гаплотипов, имеющих неоднородное пространственное распределение (GST = 0.788, NST = 0.829), что указывает на ограниченный генетический поток между популяциями. Выявляется несколько географических районов, имеющих специфический набор гаплотипов: 1) Япония; 2) юг Сахалина и Курильские о-ва; 3) Приморье и Корея; 4) Камчатка; 5) Восточная Сибирь и север Дальнего Востока. Гаплотип, фиксированный на Камчатке, отсутствует в Магаданской области и на Чукотке, но присутствует на юге Приморья и на Сахалине, что, возможно, объясняется послеледниковым заселением Камчатки лиственницей, расселявшейся из Приморья через Сахалин и Курилы, либо сохранением ее на Камчатке в течение последнего ледникового максимума. Биогеография лиственницы и других древесных растений указывает на общую историю заселения Камчатки бореальными видами.
Чередование холодных и теплых эпох, свойственное климату плейстоцена, обуславливало циклические перестройки ландшафтов, оставившие след в характере генетической изменчивости видов животных и растений. История биоты Северной Америки и Западной Европы в позднем плейстоцене и голоцене довольно подробно изучена на основании палинологических данных [1], макрофоссилов [2], а также данных популяцион-но-генетических исследований многих видов животных и растений (например, [3]).
В отличие от Северной Америки и Западной Европы, Восточная Сибирь и Дальний Восток не имели значительных ледниковых покровов на протяжении максимума последнего оледенения (18-20 тыс. лет), хотя растительность Восточной Сибири и Дальнего Востока благодаря суровому климату того периода существенно отличалась от современной. Древесные виды, вероятно, отсутствовали на большей части Восточной Сибири, сохраняясь, по-видимому, лишь в низовьях Амура [4]. В то же время нельзя отвергать возможность сохранения наиболее неприхотливых деревьев -лиственниц - на севере современной лесной зоны даже в ледниковый максимум [5].
Деревья рода Larix, широко распространенные на Дальнем Востоке, обладают значительной морфологической изменчивостью, что обусловило описание множества "видов" [6-8]. Однако в силу непрерывности ареалов и отсутствия репродуктивных барьеров имеющиеся морфологические формы перетекают одна в другую, делая
весьма неопределенным их таксономический статус. Предыдущие исследования генетической изменчивости лиственниц Восточной Сибири и Дальнего Востока с помощью аллозимных маркеров, AFLP (amplified fragments length polymorphism, полиморфизм длин амплифицированных фрагментов), хлоропластных микросателлитов и митохондриальных ПДРФ (полиморфизм длин рестриктных фрагментов) выявили их генетическую структуру [9, 10]. По ядерным маркерам (ал-лозимы и AFLP) заметно отличались от других популяций популяция с южного Сахалина (L. ka-mtschatica (Rupr.) Carr.), японская лиственница (L. leptolepis Gordon) и лиственница с охотского побережья (Магадан). В отношении внутриконти-нентальных популяций по ядерным маркерам обнаруживаются небольшие различия между L. gmelinii Rupr. из Забайкалья и L. olgensis A. Henry из Приморья. При изучении хлоропластных микросателлитов, кроме четкого обособления японской лиственницы, среди остальных дальневосточных лиственниц не было выявлено какого-либо заметного географического тренда в структуре изменчивости хлоропластной ДНК [10].
Полученные данные подтверждали, в определенной степени, точку зрения Н.В. Дылиса и Е.Г. Боброва [8, 11] об интрогрессивной гибридизации на Дальнем Востоке видов L. olgensis, L. ka-mtschatica, L. cajanderi Mayr и L. gmelinii с образованием промежуточных форм: х L. lubarskii Suk., x x L. maritima Suk., x L. amurensis B. Kolesn., x L. ko-marovii, x L. middendorffii, x L. ochotensis Kolesn. и
Таблица 1. Митохондриальные гаплотипы и соответствующие им сочетания аллелей в локусах
Гаплотип Локусы
nad5(1-2r)/HinfI nad4(3c-4r)/HinfI UBC460
G 200bp —► 80bp + 120bp 2300 bp
I 215bp + x —► 260bp 2300 bp
U 200bp —► 80bp + 120bp 2788 bp
S 2300 bp
LN 2788 bp
K Инсерция 4 bp 500bp + 215bp —► 715bp 2300 bp
KG Инсерция 4 bp 200bp —► 80bp + 120bp 2300 bp
KS Инсерция 4 bp 2300 bp
т.д. с тем отличием, что популяция L. cajanderi (р. Берелёх) оказалась также промежуточной, согласно частотам аллозимов, между Ь. olgensis и L. gmelinii, а популяция X L. ochotensis из Магадана заметно отличалась по аллозимам как от L. gmeli-пи, так и от L. olgensis.
В отличие от маркеров ядерной и хлоропласт-ной ДНК, маркеры митохондриальной ДНК имеют у Ртасеае материнское наследование и переносятся с семенами [12]. Низкая подвижность семян относительно подвижности пыльцы определяет более выраженную популяционную структуру, выявляемую у видов хвойных с помощью митохондриальной дНк, по сравнению с ядерными и хло-ропластными маркерами. Изучение структуры изменчивости митохондриальной ДНК у лиственниц [10] обнаружило пять групп популяций:
1) Япония leptolepis),
2) юг Сахалина ^. kamtschatica),
3) Корея, юг Приморья и побережье Японского моря ^. olgensis),
4) Забайкалье gmelinii),
5) популяции, географически промежуточные между предыдущими двумя группами.
Все группы имели специфические наборы ми-тохондриальных гаплотипов с незначительной примесью гаплотипов соседних групп. Данный факт определенно доказывает, что популяции, географически промежуточные между ареалами даурской ^. gmelinii) и ольгинской ^. olgensis) лиственниц, не являются исключительно продуктом современной или недавней гибридизации, а представляют собой исторически самостоятельную группу.
Ограниченный материал предыдущего исследования [10] оставил за рамками изучения изменчивости митохондриальной ДНК лиственницы большую часть Восточной Сибири и Дальнего Востока. В настоящей работе мы существенно расширили область исследований. Были дополнительно проанализированы выборки из Якутии,
Чукотки, Камчатки, Магаданской области и среднего течения Амура. Вместо дорогостоящего и трудозатратного традиционного варианта ПДРФ, предусматривающего Саузерн-блот и гибридизацию с радиоактивно меченой пробой, были использованы три маркера, основанные на ПЦР (цепная реакция полимеризации). Мы предприняли попытку ответить на следующие вопросы:
Каково происхождение лиственницы на Камчатке? Проникла ли она туда в послеледниковое время с севера через Чукотку? Альтернатива - ее послеледниковое расселение через Сахалин, Хоккайдо и Курилы или ее сохранение на Камчатке в ледниковое время.
Каковы генетические взаимоотношения лиственниц Сахалина и Японии?
Каким путем расселялась лиственница в Магаданскую область и на Чукотку. Является ли источником колонизации лиственницей этого региона Приморье, или другие, более северные и западные области.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Выборки объемом 3-24 индивидумов были проанализированы в 32 популяциях (табл. 2, рисунок). Часть материала была взята из работы [10], часть - из географических культур "Погорельский Бор" Института леса СО РАН [13]. ДНК была выделена из замороженной в жидком азоте и хранившейся при -80° хвои или из хвои, высушенной в силикагеле, или из 1-месячных сеянцев с помощью метода CTAB [14]. Для изучения изменчивости митохондриальной ДНК использовали три митохондриальных фрагмента, изменчивых у дальневосточных лиственниц [10]: nad5(1-2r), nad4(3c-4r) [15] и UBC460 [16]. ДНК каждого фрагмента амплифицировали с помощью ПЦР машины GeneAmp PCR System 2700 (Applied Biosystems) в 10 мкл смеси, содержащей 1 х ПЦР-буфер (75 мМ трис-HCl, pH 8.8), 20 мМ (NH4)2SO4, 0.1% твин-20), 2.5 мМ MgCl2, по
Таблица 2. Изменчивость митохондриальной ДНК в изученных популяциях лиственницы Восточной Сибири и Дальнего Востока
№ п.п. Популяция, лесхоз, лесничество, если известно (широта/долгота) Таксономическая принадлежность Источник материала Полиморфизм Частоты гаплотипов
п пЬ Н
1 р. Муякан 56°10^ 113°40'Е g Р 24 1 0.000 G:24
2 пос. Чара 56°50ТЧ 118°20'Е g Р 22 1 0.000 G:22
3 пос. Хатанга 72°00^ 102°30'Е g Р 8 1 0.000 G:8
4 Хилокский, Хушенгинское 51°20^ 110°30'Е g К 12 1 0.000 G:12
5 пос. Улеты 51°30^ 112°20'Е g К 6 1 0.000 G:6
6 Тунгокоченский, Калаканское 55°10'N 116°45'Е g К 10 1 0.000 G:10
7 Чернышевский 52°35'N 117°00'Е g К 9 1 0.000 G:9
8 Аргунский, Нерчинск, Заводское 51°20^ 119°35'Е g К 3 1 0.000 G:3
9 Джелтулакский, Урканское 54°10^ 124°40'Е g К 6 1 0.000 G:6
10 г. Якутск 62°00^ 129°40'Е g 9 1 0.000 G:9
11 г. Магадан 59°30'N 151°00'Е X 12 1 0.000 G:12
12 пос. Чуванск 65°00'N 168°00'Е с 15 1 0.000 G:15
13 пос. Ламутск 65°30'N 169°00'Е с 16 1 0.000 G:16
14 Зейский, Дамбуки, Бомнак 54°45'N 128°55'Е X К 9 1 0.000 G:9
15 Мазановский, Новороссийское 51°45^ 128°50'Е X К 8 0.250 G:7, LN: 1
16 Ургальский 51°00'N 132°50'Е X Р 12 1 0.000 G:12
17 порт Ванино 49°05'N 140°20'Е X Р 3 0.667 S:2, G:1
18 оз. Лебяжье 47°30ЧЧ 142°40'Е к Р 4 1 0.000 1:4
19 пос. Кавалерово 44°05'N 135°20'Е X Р 11 1 0.000 G:11
20 бухта Ольга 43°40ЧЧ 135°15'Е о Р 14 1 0.000 LN:14
21 Уссурийский, Шуфан 43°26'N 131°20'Е о Р 8 5 0.893 S:3, и:1, G:1, LN:3
22 Корея о Р 10 3 0.689 S:3, G:5, LN:2
23 пос. Эссо 56°00'N 158°00'Е с 20 2 0.000 S:20
24 пос. Анавгай 56°10'N 159°00'Е с 20 2 0.000 S:20
25 Ь. leptolepis, Япония 1 Р 6 1 0.000 К:6
26 Оха 53°35'N 142°50'Е X 18 3 0.386 G:14, S:3, К:1
27 Ноглики 51°50'N 143°00'Е X 15 2 0.248 G:13, KG:2
28 Тымовское 50°50ЧЧ 142°40'Е X 19 2 0.105 G:18, S:1
29 Озерский 46°36'N 143°10'Е к 18 4 0.739 К:7, 1:6, KS:2, S:3
3
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.