Студенту

"Хвойные бореальной зоны" 2003г.,№1, с.

НАСЛЕДОВАНИЕ АЛЛОЗИМНЫХ ВАРИАНТОВ У ЛИСТВЕННИЦЫ ГМЕЛИНА

Ларионова А Я., Яхнева Н.В.

Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, Красноярск

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке СО РАН (интеграционный проект № 53)и РФФИ (грант № 03-04-49719) Авторы выражают благодарность А.П. Абаимову за предоставленные для работы семена лиственницы Гмелина из Эвенкии

Методом электрофореза в 13% крахмальном геле исследованы ферменты эндоспермов семян 76 деревьев из трех природных популяций лиственницы Гмелина (Larixgmelinii (Rupr.) Rupr.), произрастающей в Эвенкии. Дано подробное описание электрофоретической изменчивости 10 ферментов: MDH, 1DH, GDH, G-6PD, 6-PGD, SkDH, ME, LAP. EST. GOT. Показано, что аллозимиое разнообразие этих ферментов находится под контролем 17 ген-ферментных локусов. Один из них (Mdh-1) является мономорфным, остальные локусы (Mdh-2, Mdh-3, Mdh-4, Idh, Gdh, G-6pd, 6-Pgd, Skdh. Me-1. Me-2, Lap-1. Lap-2, Est-1. Got-1, Got-2, Got-3) обнаруживают изменчивость хотя бы в одной из исследованных популяций лиственницы. Анализы сегрегации подтверждают, что выявленные аллозимные варианты наследуются как моногенные признаки. Это позволяет использовать их в качестве маркеров структурных генов в генетико­популяционных исследованиях лиственницы Гмелина.

Using the 13% starch gel electrophoresis, the enzymes of seed endosperms, collected from 76 trees of three natural populations of Gmelin larch (Larix gmelinii (Rupr.) Rupr.), were studied. A detailed analysis of electrophoretic variability of 10 enzymes: MDH, IDH, GDH. G-6PD, 6-PGD, SkDH, ME, LAP, EST, GOT is presented. It is shown that the allozyme diversity of the enzymes studied is coded 17 gene-enzyme loci. One of them (Mdh-1) is monomorphic, while the remaining loci (Mdh-2, Mdh-3, Mdh-4. Idh. Gdh, G-6pd. 6-Pgd. Skdh, Me-1, Me-2, Lap-1, Lap-2, Est-1, Got-1, Got-2, Got-3) appear polymorphic. Segregation data confirms the monogenic inheritance of the allozyme variants revealed. This allows one to use allozymes revealed in this work as a markers of structural genes in genetic and population studies of Gmelin larch.

Введение крупной сырьевой базой лесной
Лиственница Гмелина является одним из промышленности. Однако их генетические основных лесообразующих видов родаLarix в ресурсы практически не исследованы. Между тем Сибири. Она лучше других видов хвойных знание уровня и характера распределения приспособлена к произрастанию на холодных генетической изменчивости являются почвах, хорошо адаптирована к суровым необходимой основой для разработки научно­климатическим и почвенно-грунтовым условиям обоснованных подходов к эксплуатации северных севера. Ареал лиственницы Гмелина почти лесов, программ по их восстановлению и полностью совпадает с зоной сплошного сохранению генетического разнообразия. распространения вечной мерзлоты, а северная Северные леса относятся к крайне неустойчивым граница ареала повсеместно является экосистемам, поэтому любое, даже небольшое климатическим пределом распространения нарушение их экологического и генетического древесной растительности, обусловленной равновесия, может привести к необратимым недостатком тепла и коротким вегетационным отрицательным последствиям [Поздняков, 1986]. периодом. Использование изоферментов (изоэнзимов)
В высоких широтах Средней Сибири леса, в качестве генных маркеров позволило получить образованные лиственницей Гмелина, составляют данные о состоянии генетических ресурсов 81-90% покрытой лесом территории [Abaimov et широкого ряда видов хвойных, включая al., 2000]. Они имеют важное биосферное информацию о генотипическом составе значение и в недалеком будущем могут стать популяций, аллельном разнообразии, параметрах генетической изменчивости, степени внутривидовой дифференциации популяций [3­14]. В значительной степени это обусловлено тем, что хвойные благодаря особенностям своей системы размножения являются идеальным объектом для применения изоэнзимного метода анализа генетической изменчивости. Эндосперм семян хвойных представляет собой гаплоидную ткань, поэтому выявление аллельных изоэнзимов (аллозимов) не требует выполнения специальных скрещиваний и анализа потомства. Достаточно лишь проверить расщепление изоэнзимов среди эндоспермов семян отдельных деревьев. У гетерозиготных деревьев аллозимы будут встречаться в соотношении 1:1. Это значительно облегчает и ускоряет проведение генетических исследований в популяциях хвойных.

Выявляется на геле в 3-х пространственно разделенных зонах активности фермента, которые, как показал генетический анализ, контролируются 3-мя полиморфными локусами: Got-1, Got-2, Got-3. Локусы Got-1 и Got-З имеют по 3 аллеля, локус Got-2 - два аллеля. Трех локусный контроль электрофоретической изменчивости GOT установлен и при изучении других популяций лиственницы Гмелина [29], а также у лиственницы западной [20], Сукачева [23,40], курильской и японской [22].
Анализы сегрегации подтверждают моногенное наследование выявленных у лиственницы Гмелина электрофоретических вариантов ферментов. Из представленных в таблице 2 данных по сегрегации, суммированны: для каждого типа гетерозигот, видно, что ни у одного из идентифицированных нами полиморфных локусов не наблюдалось достоверного отклонения от ожидаемого для вариантов, кодируемых аллелями одного локуса, соотношения 1:1. Значение критерия соответствия хи-квадрат (%2) варьировало от 0.125 до 2.400.

Таблица 2 - Сегрегация аллозимов среди эндоспермов семян гетерозиготных деревьев лиственницы Гмелина

Таблица 3 - Средние частоты аллелей и ожидаемая гетерозиготность (Не) 17 ген-ферментных локусов лиственницы Гмелина

Наиболее низкий уровень изменчивости среди полиморфных локусов обнаруживают локусы.Mdh-2, Skdh, Lap-1, Lap-2, Got-1, Idh, Me­1, Gdh. Частоты наиболее распространенных аллелей этих локусов варьируют от 0.9539 до 0.9868. Это означает, что к полиморфным их можно отнести лишь при 99%-ном критерии полиморфности. При 95%-ном критерии перечисленные выше локусы следует считать мономорфными. Расчет средней ожидаемой гетерозиготности для каждого из этих локусов показал, что в исследованных популяциях лиственницы Гмелина они изменчивы не более, чем у 8.8% проанализированных деревьев.
Локусы: Mdh-4, Got-2, Got-3, 6-Pgd, Me-2 характеризуются средним уровнем изменчивости. Частоты преобладающих в популяциях аллелей данных локусов колеблются от 0.9013 до 0.9408, ожидаемая гетерозиготность - от 0.1114 до 0.1801. Три локуса (Mdh-3, G-6pd, Est-1) относятся к сильнополиморфным локусам. У этих локусов частоты наиболее распространенных в популяциях аллелей не превышают значения 0.8684, а ожидаемая гетерозиготность имеет самые высокие значения (0.3399; 0.2285 и 0.5037 соответственно).
Заключение
Обнаруженные в процессе электрофореза изоэнзимные варианты ферментов наследуются как моногенные признаки и могут быть использованы в популяционно-генетических исследованиях этого вида в качестве биохимических маркеров структурных генов.
Установлено, что генетический контроль выявленных аллозимов осуществляется 17-ю ген­ферментными локусами, один из которых (Mdh-1) мономорфен, остальные полиморфны, то есть представлены в популяциях несколькими аллелями. Среднее число аллелей на полиморфный локус составляет 2.44. Наиболее высокий уровень генетической изменчивости в исследованных популяциях лиственницы Гмелина обнаруживают локусы: Mdh-3, G-6pd и Est-1. Локусы: Mdh-4, Got-2, Got-3, 6-Pgd, Me-2 имеют средний уровень изменчивости, а локусы: Mdh-2, Skdh, Lap-1, Lap-2, Got-1, Idh, Me-1, Gdh относятся к слабополиморфным. Выявленные у этих локусов альтернативные аллели встречаются в популяциях с частотой не превышающей 5.% .

Библиографический список

1.  Abaimov A.P., Zyryanova О.А., Prokushkin S.G., Koike T, Matsuura Y. Forest ecosystems of the cryolithic zone of Siberia; regional features, mechanisms of stability and pyrogenic changes // Eurasian J. For. Res. 2000. V.l. P. 1-10.
2.  Поздняков Л.К. Мерзлотное лесоведение. Новосибирск: Наука, 1986. 192 с.
3.  Yeh F., El-Kassaby Y.A. Enzyme variation in natural populations of Sitka spruce (Picea sitchensis). I Genetic variation patterns among trees from 10 IUFRO provenances // Can. J. For. Res. 1980. V.10.N.5. P.415-422.
4.  Guries R.P., Ledig F.T. Genetic diversity and population structure in pitch pine (Pinus rigida Mill.) // Evoluton. 1982. V.36. P.387-402.
5.  Loukas M., Vergini Y., Krimbas G.B. Isozyme variation and heterozygosity in Pinus halepensis L. // Biochem. Genet. 1983. V.21. N.5-6. P.497-510.
6. Woods J.H., Blake G.M., Allendorf
   F.W. Amount and distribution of isozyme variation in ponderosa pine from Eastern Montana // Silvae Genet. 1983. Bd.32. H.5-6. S.151-157.
7. Gullberg U., Yazdany R., Rudin D.s Ryman N. Allozyme variation in Scots pine (Pinus sylvestris L.) in Sweden // Silvae Genet. 1985. Bd.34.
   H.6. S.193-201.
   
8. Furnier G.R., Adams W.T. Geographic patterns of allozyme variation in Jeffrey pine // Amer.
   J. Bot. 1986. V.73. P.1009-1015.
   
9. Шурхал А.В., Подогас А.В., Животовский Л.А., Подгорный Ю.К. Изучение генетической изменчивости крымской сосны (Pinus pallasiana Asch., Graebn.) // Генетика. 1988. T.24. №2 . С.311-315.
10. Крутовский К.В., Политов Д.В., Алтухов Ю.П., Милютин Л.И., Кузнецова Г.В., Ирошников А.И., Воробьев В.Н., Воробьева НА. Генетическая изменчивость сибирской кедровой сосныPinussibirica Du Tour. Сообщение IV. Генетическое разнообразие и степень генетической дифференциации между популяциями // Генетика. 1989. Т. 25. № 11. С. 2009-2032.
11. Потенко В.В., Кривко В.Г. Изменчивость и сцепление изоферментных локусов у ели восточнойPiceaorientctlis (L.) Link // Генетика. 1993. T.29. №4. C.632-637.
12. Гончаренко Г.Г., Силин А.Е., Падутов В.Е. Исследование генетической структуры и уровня дифференциацииPinussylvestris L. в центральных и краевых популяциях Восточной Европы и Сибири // Генетика. 1993. Т.29. №12. С.2019-2038.
13. Янбаев Ю. А., Шигапов 3. X., Путенихин В. П., Бахтиярова Р. М. Дифференциация популяций ели сибирской (Piceaobovata Ledeb.,) на южном Урале // Генетика. 1997. Т.ЗЗ. № 9. С.1244-1249.
14. Ettl G.J., Peterson D.L. Genetic variation of subalpine fir ( Abies lasiocarpa ( HOOK.) NUTT.) in the Olympic Mountains< WA, USA // Silvae Genet.  2001.Bd.50. H.3-4. S.145-153.
15. Adams W.T., Joly R.I. Genetics of allozyme variants in loblolly pine // Heredity. 1980. V.71.P.33-40.
16. Ridgway G.J., Sherburne S.W., Lewis R.D. Polymorphism in the esterases of atlantic hairing//Trans. Amer. Fish. Soc. 1970. V.99. P. 147 ­151.
17. Brewer G.J. Introduction to isozyme techniques. N.Y.-L.: Academ. press., 1970. 186 p.
18. Корочкин Л.И., Серов О.Л., Пудовкин А.И. и др. Генетика изоферментов. М.: Наука, 1977.278 с.
19. Айала Ф. Введение в популяционную и эволюционную генетику / Пер.с англ.М.: Мир, 1984. 232 с.
20. Fins L., Seeb L.W. Genetic variation in allozymes of western larch // Can. J. Forest. 1986. V.16. P.1013-1018.
21. Lewandowski A., Berczyk J., Mejnartowicz L. Genetic structure and the mating system in an old stand of polish larch // Silvae Genet. 1991.Bd..40. S.75-79.
22. Гончаренко Г.Г., Силин А.Е. К вопросу о генетической изменчивости и дифференциации лиственницы курильской (Larixkuriiensis Mayr.) и лиственницы японской (Larixkaempferi Sarg.) // ДАН. 1997. Т.354. № 6. С.835­838.
23. Шигапов З.Х., Путенихин В.П., Шигапова А.Ш., Уразбахтина К.А. Генетическая структура уральских популяций лиственницы Сукачева // Генетика. 1998. Т.34. №1. С.65-74.
24. Ying L., Morgenstern E.K. Inheritance and linkage relationships of some isozymes of Larix laricina in New Brunswick, Canada // Silvae Genet. 1990. Bd.39. H.5-6. S.245-250.
25. Семериков В.Л., Матвеев А.В. Изучение генетической изменчивости лиственницы сибирской (Larixsibirica Ldb.) no изоферментным локусам // Генетика. 1995. Т.31. №8. С. 1107-1113.
26. Шурхал А.В., Подогас А.В. Семериков В.Л., Животовский Л.А. Аллозимный полиморфизм лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) // Генетика. 1989. Т.25. № 10. С.1989-1901.
27. Тимерьянов А.Ш., Шигапов З.Х., Янбаев Ю.А. Генетическая изменчивость лиственницы Сукачева (Larix sukaczewii Dyl.) на Южном Урале. I Механизм генного контроля изоферментных систем // Генетика. 1994. Т.30. №
28. Cheliak W.L., Pitel J.A. Inheritance and linkage of allozymes in Larix laricina II Silvae genet. 1985. Bd.34. S.142-147.
29. Ying L., Morgenstern E.K. The population structure of Larix laricina in New Brunswick, Canada // Silvae Genet. 1991. Bd.40. H.5.S.180-184.
30. Тимерьянов А.Ш., Шигапов З.Х., Янбаев Ю.А. Генетическая изменчивость лиственницы Сукачева (Larix sukaczewii Dyl.) на Южном Урале. I Механизм генного контроля изоферментных систем // Генетика. 1994. N.30. С.1243-1247.
31. Ларионова А.Я., Ларионова Н.А., Милютина И.Л. и др. Сосна обыкновенная в Южной Сибири. Красноярск: Ин-т леса и древесины СО АН СССР, 1988. 150 с.
32. Yen F., El-Kassaby Y.A. Enzyme variation in natural populations of Sitka spruce (Picea sitchensis). 1 Genetic variation patterns among trees from 10 IUFRO provenances // Can. J. For. Res. 1980. V. 10. №5. P.415-422.
33. Stewart S.C., Schoen J. Segregation at enzyme loci in megagametophytes of white spruce, Picea glauca II Can. J. Genet. Cytol. 1986. V.28. P.149-153.
34. Тимерьянов А.Ш., Старова Н.В., Бахтиярова P.M. Генетическая изменчивость лиственницы Сукачева {Larix sukaczewii Dyl.) на Южном Урале. II Уровни изоферментной изменчивости в природных популяциях // Генетика. 1996. Т.32. №2. С.267-27