Студенту

"Хвойные бореальной зоны" 2007г.,№2-3, с.

Генетическое разнообразие и дифференциация популяций лесообразующих видов хвойных в средней сибири

Ларионова А.Я., Кравченко А.Н., Экарт А.К., Орешкова Н.В.

Институт леса им. В.Н.Сукачева СО РАН, Красноярск, Россия, e-mail: albina@ksc.krasn.ru

На основании анализа 20-22 аллозимных локусов получены данные о генетическом разнообразии, структуре и степени дифференциации популяций трех наиболее распространенных в Средней Сибири лесообразующих видов хвойных: ели сибирской (Piceaobovata Ledeb.), пихты сибирской (Abiessibirica Ledeb.) и лиственницы сибирской (Larixsibirica Ledeb.).
On the basis of 20-22 allozyme loci analysis the data about genetic diversity, structure and differentiation degree of three the most wide spread in the Middle Siberia forest-forming species conifer: Siberian spruce ((Picea obovata Ledeb.), Siberian fir (Abies sibirica Ledeb.) and Siberian larch (Larix sibirica Ledeb.) were obtained.

Введение

Изучение генетического разнообразия и внутривидовой дифференциации хвойных, играющих важную биосферную роль, является одной из важнейших задач популяционной биологии. Особую актуальность исследование этих вопросов приобрело в последние годы в связи с проблемой сохранения генетических ресурсов хвойных, поскольку только на основании точных оценок уровней генетической изменчивости и характера ее распределения в пределах ареалов видов могут быть разработаны мероприятия, направленные на максимальное сохранение генетического разнообразия и популяционной структуры видов в процессе их использования и воспроизводства.

Наиболее значительный вклад в формирование межпопуляционного аллельного разнообразия вносят локусы Got-1, Got-2, Got-3, Lap-1, Lap-2,Skdh-1, Skdh-2, Idh-2, Gdh, Pgm-2, 6-Pgd-2 (таблица 2).
Установлено, что исследованная в регионе ель сибирская находится в состоянии, близком к равновесному. Наблюдаемое в совокупной выборке популяций соотношение генотипов не отличается от ожидаемого в соответствии с законом Харди-Вайнберга (?2 = 80.17, df = 79). Значение показателя Fis, отражающего инбридинг особи относительно популяции, составляет всего 0,12% (Fis=-0,0012) , относительно вида в целом– 2.74% ((Fis=0,0274).
Оценка основных параметров генетической изменчивости по 22 проанализированным локусам показала, что произрастающая в пределах исследуемой части ареала  ель  сибирская  харак-теризуется достаточно высоким уровнем генетического разнообразия. В целом в совокупной выборке популяций этого вида в полиморфном состоянии находится 90,91% проанализированных локусов. Среднее число аллелей на локус равно 2,95, эффективное число аллелей – 1,25. Средние для вида значения наблюдаемой и ожидаемой гетерозиготности составляют соответственно 0,163 и 0,168 (таблица 3).

Пихта сибирская, проанализированная по 20 аллозимным локусам, характеризуется низким генетическим разнообразием (P100=35%, A=1,45, Ho=0,057, He=0,064). В целом у вида в исследованной части ареала в полиморфном состоянии находится 35% проанализированных локусов, а каждое дерево изменчиво по 6.4% генов (таблица 3). Среди 9 изученных на территории Средней Сибири популяций этого вида самые высокие значения ожидаемой гетерозиготности выявлены в среднегорных и высокогорных популяциях Западного и Восточного Саяна (He=0,070-0.072), а самые низкие (He=0,049-0,051) в равнинных популяциях из Тюхтетского и Енисейского районов Красноярского края Обнаружено, что при увеличении высоты местоположения популяции над уровнем моря наблюдается постепенное увеличение ожидаемой гетерозиготности (таблица 3).

Сопоставление наблюдаемой и ожидаемой гетерозиготности показало, что лишь в двух из исследованных нами популяций пихты сибирской (В. Саян, 200; З. Саян, 1500) наблюдается слабый эксцесс гетерозиготных генотипов. Значение индекса фиксации Райта F для этих популяций составляет соответственно – 0,0255 и -0,0223. У остальных изученных в регионе популяций наблюдается недостаток гетерозиготных генотипов, варьирующий от 1,19% до 23,82%. Наиболее значительный дефицит гетерозигот выявлен в популяции В. Саян, 640. В среднем дефицит гетерозигот у отдельной особи относительно популяции равен 6,10% (Fis = 0,0610), относительно вида в целом – 11,02% (Fit = 0,1102).
Генетическая дифференциация включенных в исследование популяций пихты сибирской выражена слабо. Показатель Fst, отражающий степень подразделенности популяций, указывает на то, что между популяциями распределяется лишь 5.24% выявленной генетической изменчивости (Fst = 0,0524), остальная изменчивость сосредоточена внутри популяций. Среднее генетическое расстояние D между популяциями варьирует от 0,0005 до 0,0098, составляя в среднем 0,0040 (таблица 4). Кластеризация популяций по генетическому расстоянию D не выявила четкой взаимосвязи между расположением популяций на дендрограмме и степенью их географической удаленности друг от друга. Популяции группируются в основном в зависимости от их принадлежности к горным или равнинным территориям (рисунок 2).
Наименее дифференцированными оказались популяции пихты сибирской из самых удаленных друг от друга районов: Ермаковского (З. Саян, 400) и Енисейского (Енисейск). В то же время популяция из Козульского района Красноярского края обнаруживает значительные отличия по генетической структуре как от близко расположенных к ней популяций (Емельяново), так и от удаленных (Енисейск, Тюхтет; З. Саян, 400; З. Саян, 1000; З. Саян, 1500). Наиболее высокий уровень генетической дифференциации наблюдается между популяцией из Козульки и популяцией из Западного Саяна, расположенной на высоте 1000 м.
Существенные различия наблюдаются также между популяциями, расположенными в разных высотных поясах Западного Саяна. Обнаружено, что степень дифференциации горных популяций пихты зависит от разности высот их местообитания. Анализ разновысотных популяций показал, что наиболее существенные статистически достоверные различия в генетической структуре наблюдаются между высокогорной (З. Саян, 1500) и низкогорной (З. Саян, 400) популяциями. Генетическое расстояние между ними (D=0.0060) существенно больше генетического расстояния между парами более близких по градиенту высоты популяций: среднегорной и высокогорной (D=0.0020), низкогорной и среднегорной (D=0.0046).

Выводы

1. Произрастающая на территории Средней Сибири ель сибирская характеризуется достаточно высоким генетическим разнообразием (P100=90,91%, A=2,95, ne =1,25, He=0,168, Ho=0,163), слабой подразделенностью (Fst=0,0286) и низким в среднем уровнем дифференциации (D=0,0062). Наиболее существенные различия в генетической структуре обнаруживают популяции ели из горных местообитаний.
2. Установлено, что популяции из горных районов Тывы (Хандагайты 1 и Хандагайты 2), расположенные у южной границы ареала вида в регионе, значительно обособлены как друг от друга, так и от остальных включенных в исследование популяций ели. Уровень наблюдаемых между ними генетических различий сопоставим с уровнем различий, характерным для географически удаленных друг от друга популяций.
3. Исследованные в регионе популяции лиственницы сибирской имеют невысокий в целом уровень генетической изменчивости (P100=63,6%, A=1,91, ne = 1,18, Ho=0,090, He=0,094), однако в среднем более дифференцированы (Fst=0,0758, D=0,0104) по сравнению с изученными популяциями ели. Наиболее дифференцированными среди проанализированных популяций лиственницы сибирской оказались северные популяции, расположенные в лесотундровой зоне полуострова Таймыр (D=0,0176). Популяции лиственницы из более южных районов Красноярского края (Ужурский, Ирбейский) практически не различаются по генетической структуре (D=0,0032).
4. Обнаружено, что степень генетической дифференциации популяций из географически удаленных друг от друга северных и южных районов значительно меньше степени дифференциации северных популяций.
5. Уровень генетического разнообразия пихты сибирской в Средней Сибири существенно ниже (P100=35%, A=1,45, ne=1,13, Ho=0,057, He=0,064), чем у ели сибирской и лиственницы сибирской. Среди изученных популяций этого вида самые высокие значения ожидаемой гетерозиготности наблюдаются в среднегорных и высокогорных популяциях Западного и Восточного Саяна (He=0,070-0,072), а самые низкие (He=0,049-0,051) в равнинных популяциях из Тюхтетского и Енисейского районов Красноярского края.
6. Количественная оценка степени генетических различий и кластеризация популяций по генетическому расстоянию D показали, что несмотря на слабую в общем дифференциацию (D=0,0040) популяций пихты сибирской, различия между ними прослеживаются достаточно четко. Наиболее значительные различия в генетической структуре выявлены между популяцией из Козульского района и остальными популяциями.
7. Степень генетической дифференциации популяций пихты в исследованном регионе не зависит от их географической удаленности друг от друга. Популяции группируются в основном в зависимости от их принадлежности к равнинным или горным территориям.

Библиографический список

1. Айала, Ф. Современная генетика. [текст] / Ф.Айала, Дж.Кайгер М.: Мир, 1988. - Том 3. - 335 с.
2. Гончаренко, Г.Г. Руководство по исследованию древесных видов методом электрофоретического анализа изоферментов [текст]/ Г.Г. Гончаренко, В.Е. Падутов.- Гомель: БелНИИЛХ, 1988.- 66 с.
3. Adams, W.T. Genetics of allozyme variants in loblolly pine / W.T.Adams, R.I Joly // Heredity. - 1980.- V.71.- N. 1.- P.33-40.
4. Brewer, G.J. Introduction to isozyme techniques / G.J. Brewer, N.Y.-L.: Academ. Press, 1970.- 186 p.
5. Clayton, J.W. Amino-citrate buffer for pH control in starch gel electrophoresis / J.W.Clayton, D.N. Tretiak// J. Fisheries Research Board Canada. - 1972.- V. 29.- P. 1169-1172.
6. Guries, R.P.Genetic diversity and population structure in pitch pine (Pinus rigida Mill.) / R.P.Guries, F.T.Ledig // Evolution. - 1982. - V. 36. - P. 387-402.
7. Manchenko, G.P. Handbook of detection of enzymes on electrophoretic gels / G.P. Manchenko, CRC Press, Ins. 1994. 574 p.
8. Markert, C.L., Faulhaber I.Lactate dehydrogenase isozyme patterns in fish / C.L.Markert, I.Faulhaber // J. Exp. Zool. - 1965. - V. 159.- № 2. - P. 319-332.
9. Nei, M. Genetic distance between populations // Amer. Naturalist / M. Nei. - 1972. - V. 106. - P. 283-292.
10. Ridgway, G.J. Polymorphism in the esterases of atlantic herring / G.J.Ridgway, S.W.Sherburne, R.D. Lewis // Trans. Am. Fish. Soc. - 1970. - V. 99. - P. 147-151.
11. Sneath, P.H.A. Numerical taxonomy: the principles and practice of numerical classification / P.H.A Sneath,., R.R. Sokal San Francisco: W. N. Freeman, 1973. - 573 p.
12. STATISTICA for Windows [Computer program manual]. – Tulsa, OK: StatSoft, Inc., 1998.
13. Swofford, D.L. BIOSYS-1: A FORTRAN program for the comprehensive analysis of electrophoretic data in population genetics and systematics / D.L. Swofford, R.B.Selander // Heredity. - 1981. - V. 72. - P. 281-283.
14. Vallejos, C.E. Enzyme activity staining / C.E. Vallejos, // Isozymes in plant genetics and breeding. Amsterdam: Elsevier Sci. Publ., 1983. - P. 469-516.
15. Yeh, F.C. POPGENE Version 1.32: Microsoft Windows based Freeware for Population Genetic / F.C.Yeh, , R.Yang, T. Boyle Analysis. 1999.