ЭКОЛОГИЯ, 2012, № 4, с. 284-289
УДК 574.3+575.17
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ Haloxylon aphyllum (CHENOPODIACEAE) ПО ГРАДИЕНТУ ЗАСОЛЕНИЯ ПОЧВЫ
В ПУСТЫНЕ КЫЗЫЛКУМ
© 2012 г. Е. В. Шуйская*, Л. Г. Гисматуллина**, К. Н. Тодерич**, П. Ю. Воронин*,
Н. В. Солдатова***
*Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН 127276, Москва, ул. Ботаническая, 35 E-mail: evshuya@mail.ru
**Комплексный научно-исследовательский Институт региональных проблем, Самаркандское отделение АН
Республики Узбекистан 140100 Самарканд, ул. Т. Малик, 3 ***ГСПЭкоцентр "Джейран", 200700, Бухарская обл., г. Каган Поступила в редакцию 01.06.2011 г.
В популяциях Haloxylon аphyllum (пустыня Кызылкум) обнаружен значительный дефицит гетерози-гот при среднем уровне генетического разнообразия (Р95 = 0.56, А = 1.67, Но = 0.14, Не = 0.28). По градиенту засоления почвы (от 0 до 0.5 Na+ ммоль/г) выявлена пространственная генетическая дифференциация H. аphyllum с максимальным уровнем генетического разнообразия (Но = 0.21— 0.25, Не = 0.25—0.27) на участках с умеренным почвенным засолением (0.05—0.1 Na+ ммоль/г). Маркером данной подразделенности может служить локус Got-2 (FstGot-2 = 0.4).
Ключевые слова: генетическая дифференциация, Haloxylon aphyllum, засоление почвы, пустыня Кы-зылкум.
Пустыня Кызылкум располагается на территории Туранской низменности (Центральная Азия). В целом равнинный ландшафт представляет собой слабо пересеченную грядами невысоких холмов и замкнутых котловин местность. Растительный покров пустыни имеет сложную пространственную структуру, которая обусловлена первичной неоднородностью среды (микро- и мезорельеф) и связанными с ней процессами: засоление и рассоление, изменение глубины залегания грунтовых вод (Акжигитова и др., 2003). Неотъемлемым компонентом галофито-ксеро-фитных растительных сообществ, связанных с процессами засоления-рассоления почв Кызыл-кума, являются виды с С4 типом фотосинтеза (Акжигитова и др., 2003; ТоёейсИ й а1., 2009).
К одним из основных С4 средообразующих эдификаторов и экономически наиболее важных растительных видов Кызылкума (почвоукрепи-тель, пастбищное кормовое растение и источник топлива для местного населения) относится На-1оху1оп арку11ыш (Мткге) Щт, СИепороШасеае (саксаул безлистный, черный) (Никитин, 1966; ОШгЪш^ег е! а1., 2003). Этот древовидный кустарник (1—9 м высотой) с фотосинтезирующими суккулентными побегами может произрастать в понижениях рельефа как на песчаных, так и на
солончаковых и гипсовых субстратах, образуя огромные, протяженностью в десятки километров, популяции (Никитин, 1966; Gintzburger et al., 2003). Природные популяции имеют эволюцион-но сложившийся адаптивный оптимум генного разнообразия, и нарушение генетического баланса популяционной системы ведет к ее деградации, которая отражается на состоянии вида и экосистемы в целом (Алтухов, 2003). Для понимания подобных микроэволюционных процессов необходима идентификация экологических факторов, определяющих локальную генетическую дифференциацию популяций, которая даже при расстояниях в несколько сотен метров является ответом на гетерогенность окружающей среды, например, различия в содержании доступной воды или питательных веществ (Nevo et al., 1994; Mitton et al., 1998; Prentice et al., 2000).
Влияние фактора засоления почвы на локальную генетическую дифференциацию популяций в настоящие время мало изучено. В связи с этим целью данной работы было выяснить роль засоления почвы в генетическом разнообразии и дифференциации популяций H. aphyllum.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Растительный материал был собран в двух популяциях H. aphyllum: "Кызылкесек" (41°10' с.ш. и 64°90' в.д., среднегодовая температура (MAT) — 15.7°C, среднегодовые осадки (MAP) — 175 мм) и "Бухара" (39°34' с.ш. и 64°42' в.д., MAT - 15.3°C, MAP - 157 мм) (Gintzburger et al., 2003). Уровень содержания ионов натрия (Na+) в фотосинтези-рующих органах H. aphyllum и в трех горизонтах (0-20, 20-40 и 40-60 см) почвы определяли в водной вытяжке пробы (100 мг) на атомно-аб-сорбционном спектрометре (Hitachi 207, Japan). На территории каждой популяции было выделено по 3 участка, сходных по структуре почвы (мелкобугристые пески), но с различным уровнем засоления (рис. 1). Исследовали семена, собранные с 10-25 отдельных растений с каждого участка (субпопуляции). Расстояние между растениями было 5-50 м, между субпопуляциями -1-5 км. Выборка включала 50-147 семян для субпопуляций (165-275 семян для популяций).
Для анализа семена очищали от крылаток и замачивали в воде в течение 12 ч до набухания, затем для экстракции ферментов зародыши гомогенизировали в 80 мкл буфера: EDTA, KCl, MgCl2, TRITON, PVP, TRIS-HCl. В полученном гомоге-нате пропитывали кусочки ватмана М3 размером 11 х 12 мм, которые затем вставляли в прорезь в геле. Разделение энзимов проводилось в 10%-ном крахмальном геле с использованием двух буферных систем (Muona, Szmidt, 1985): 1) электродный буфер - Трис, лимонная кислота, pH 8.0, ге-левый буфер - 10 мл электродного буфера, 90 мл Н2О, pH 8.0; 2) электродный буфер - борная кислота, NaOH, pH 8.2, гелевый буфер - Трис, лимонная кислота, pH 8.7. Электрофорез проводили в течение 4-6 ч при следующих условиях: 1) буферная система - 90 В, 40-50 мА; 2) буферная система - 210 В, 70-80 мА при температуре 5°С.
Анализировали семь ферментов: глутаматокса-лоацетаттрансаминаза (GOT, E.C. 2.6.1.1), диафо-раза (DIA, E.C. 1.6.99), глутаматдегидрогеназа (GDH, E.C. 1.4.1.2), супероксиддисмутаза (SOD, 1.15.1.1), глюкозо-6-фосфатдегирогеназа (G6PD, E.C. 1.1.1.49), 6-фосфогюконатдегирогеназа (6PGD, 1.1.1.44), фосфоглюкомутаза (PGM, E.C. 5.4.2.2). Гистохимическое окрашивание ферментов и генетическую интерпретацию осуществляли по Г.Г. Гончаренко с соавт. (1993) и А. Wojnicka-Pol-torak с соавт. (2002) с некоторыми модификациями. Выявленные зоны активности ферментов и соответствующие им генные локусы обозначали сокращенными названиями ферментов и нумеровали в порядке убывания их электрофоре-тической подвижности от анода к катоду. Аллели обозначали в соответствии с подвижностью кодируемых ими аллозимов относительно наиболее
Содержание Na+, ммоль/г почвы G.6 G.5 G.4 G.3 G.2 G.1
G
_1=Ь_
1К I 2К I 3К
Кызылкесек
i
lb I 2Б I 3Б
Бухара
Рис. 1. Содержание ионов натрия в почве. Кызылкесек — популяция Н. аркуИыт в Центральном Кызылкуме, Навоийская область, Узбекистан (41°10' с.ш. и 64°90' в.д.); Бухара — популяция Н. аркуИыт в Юго-Западном Кызылкуме, на территории экоцентра "Джейран", Бухарская область, Узбекистан (39°34' с.ш. и 64°42' в.д.); 1К, 2К, 3К и 1Б, 2Б, 3Б - субпопуляции в пределах популяций Кызылкесек и Бухара соответственно, произрастающие на участках с различным уровнем засоления.
распространенного варианта, подвижность которого принимали за 100 усл. ед. Для оценки уровня генетической изменчивости рассчитывали следующие показатели: долю полиморфных локусов (Р95 ), среднее число аллелей на локус (А), эффективное число аллелей (ne), среднюю наблюдаемую (Но) и ожидаемую (Не) гетерозиготности. Для анализа популяционной структуры и подраз-деленности популяций использовали коэффициенты F-статистики Райта: Fis, Fit, Fst (Wright, 1984). Критерий x2 на гетерогенность использовали для установления достоверности различий выборок по частотам аллелей и генотипов.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Аллозимная изменчивость. При анализе семи ферментных систем в исследованных популяциях H. aphyllum выявлено 9 локусов, из них 4 (Got-1, Sod и G6pd-1, G6pd-2) были мономорфны в обеих популяциях, локус Pgm только в популяции Кызылкесек (К). Остальные локусы были полиморфными и представлены в популяциях и субпопуляциях 2—3 аллелями с разной частотой (табл. 1). Всего обнаружено 16 аллелей, из которых 10 были общими для всех субпопуляций. Аллели Dia90, 6pgd95 и Pgm95 отсутствовали в популяции К, а Dia110 — в популяции Бухара (Б). В субпопуляциях 2К, 3К и 2Б выявлен Got-290. В целом по обеим популяциям было обнаружено 18 генотипов, два из которых были гетерозиготными (Got-2100/90 и Gdh100/90) и наиболее часто встречались в субпопуляциях 2К и 2Б (см. табл. 1). Результаты х2-тестов подтверждают диагностическую роль локусов Dia, 6pgd и Pgm на популяци-онном уровне. Субпопуляции внутри каждой изученной популяции (К и Б) были достоверно
286
ШУЙСКАЯ и др.
Таблица 1. Частоты аллелей полиморфных локусов в популяциях и субпопуляциях H. aphyllum и результаты %2 — теста на гетерогенность аллельных частот
Локус Аллель/генотип* Популяция
Кызылкесек Бухара
1К 2К 3К общее 1Б 2Б 3Б общее
Got-2 90 - 0.50 0.08 0.23 - 0.50 - 0.16
100 1.00h 0.50a 0.92a'b 0.77 1.00b'c'» 0.50c'd'» 1.00b'f'» 0.84
100/90* - 1.00** 0.16 0.46 - 1.00** - 0.33
Gdh 90 0.44 0.67 0.69 0.61 0.60 0.53 0.56 0.57
100 0.56 0.33a 0.31a 0.39 0.40» 0.47 0.44 0.43
100/90* 0.21 0.44** 0.24 0.31 0.79 0.94 0.87 0.87
Dia 90 - - - - 0.07c'» - 0.71c'd'f 0.25
100 1.00h 0.45a 1.00b 0.81» 0.93a'b 1.00b'd'» 0.29a'b 0.75
110 - 0.55 - 0.19 - - - -
6pgd 95 - - - - - 0.76c'd'» - 0.24
100 1.00 1.00 0.71a'b 0.89» 0.13a'b 0.03a'b 0.06a'b 0.08
110 - - 0.29 0.11 0.87c'» 0.21 0.94c'f 0.68
Pgm 95 - - - - - 0 42a'b'c - 0.14
100 1.00 1.00 1.00» 1.00 1.00 0.58d'f'» 1.00 0.86
Примечание. * — частота гетерозиготного генотипа; ** — достоверное отличие от 1К и 3К (Р < 0.05); верхние буквенные индексы означают достоверные (Р < 0.05—0.001) отличия: а — от 1К, Ь — от 2К, с — от 3К, (1 — от 1Б, f — от 2Б, } — от Б, И — от К.
Таблица 2. Параметры генетической изменчивости H. aphyllum
Популяция Число особей Доля полиморфных локусов (P95) Среднее число аллелей на локус (А) Эффективное число аллелей (ne) Средняя наблюдаемая гетеро-зиготность (Ho) Средняя ожидаемая гетеро-зиготность (He)
Кызылкесек 275 0.44 1.33 1.24 0.11* 0.20
1К 60 0.11 1.00 1.09 0.03 0.08
2К 147 0.33 1.22 1.22 0.21 0.25
3К 68 0.33 1.11 1.16 0.06 0.14
Бухара 165 0.56 1.56 1.36 0.17* 0.27
1Б 52 0.33 1.22 1.14 0.11 0.12
2Б 63 0.44 1.44 1.37 0.28 0.27
3Б 50 0.33 1.22 1.17 0.12 0.14
В целом по двум популяциям 440 0.56 1.67 1.39 0.14 0.28
*Р < 0.05.
различны по локусам Got-2, Dia и в меньшей
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.