Особенности генотипической структуры глутаматдегидрогеназы сосны обыкновенной в зависимости от жизненного состояния дерева

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В условиях глобального потепления климата важной задачей является поиск механизмов адаптации лесных древесных растений к изменяющимся условиям среды. В степных районах данный вопрос стоит особенно остро из-за часто повторяющихся засух во время вегетационного сезона. Сосна обыкновенная является одной из основных лесообразующих пород России и имеет важное значение. В статье изучено жизненное состояние насаждения сосны обыкновенной, произрастающей в пессимальной зоне ареала в районе степей, а также проанализирована генотипическая структура локуса глутаматдегидрогеназы. Аллельная форма Gdh-1¹ данного фермента является эмбриональным полулеталем для сосны обыкновенной и может выступать молекулярным маркером адаптации данного вида к негативным условиям среды. Известно, что организмы, имеющие в генотипе полулетальные гены, обладают комплексом компенсаторных механизмов, что обусловливает их повышенную устойчивость к неблагоприятным факторам. Изучаемую выборку разделили на две группы по уровню жизненного состояния: сильные и слабые. Установлено, что в группе деревьев, находящихся в лучшем жизненном состоянии, преобладает доля генотипов, содержащих эмбриональный полулеталь сосны обыкновенной (Gdh-1¹). Также в группе сильных деревьев аллель, являющийся эмбриональным полулеталем, составляет 79%, а в группе слабых деревьев – 39%, что меньше в 1,9 раз.

Полный текст

Введение

На сегодняшний день актуальной задачей является контроль общего состояния и устойчивости лесных насаждений к изменяющимся условиям среды в разных климатических зонах [1].

Особое значение имеет изучение особенностей выращивания леса в степной зоне. Данный вопрос стоит особенно остро на фоне высоких темпов изменяющегося климата в зоне степей, а также сложностей выращивания леса в природно-климатических условиях степной зоны. Это связано с особенностями почв, климата и, главным образом, влагообеспеченностью [2].

Воронежская область расположена на территории двух климатических зон: степной и лесостепной [3]. В лесостепной зоне отмечаются благоприятные природно-климатические условия для развития лесной растительности. В степной зоне наблюдается снижение количества осадков и, как следствие, дефицит влаги. Влажность воздуха является важным фактором развития древесных растений. Средняя температура в степной зоне выше, чем в лесостепной. В результате недостаточного увлажнения и высокой температуры, в степной зоне формируются засухи, происходит торможение развития лесной растительности [4].

Одной из главных лесообразующих пород Воронежской области является сосна обыкновенная. Лесорастительные условия лесостепной зоны являются оптимальными для произрастания высокопродуктивных хвойных лесов. По мере продвижения на юг, к степной зоне, наблюдается ухудшение жизненного состояния деревьев, снижение их биопродуктивности, а также качества семенного материала сосны [5; 6].

Целью исследования является оценка жизненного состояния популяции сосны обыкновенной, произрастающей в степной зоне Воронежской области, поиск молекулярных маркеров устойчивости изучаемого вида к изменяющимся природно-климатическим условиям.

С 1950-х годов изоферментный анализ успешно применяется для генетических исследований, имея ряд преимуществ. Изучая аллельные формы ферментов, можно получить надежную и полную информацию о структуре генофонда и его изменчивости в исследуемой популяции [7]. Наибольший интерес представляет изучение ген-ферментных локусов, являющихся эмбриональными полулеталями. Согласно концепции В.А. Струнникова, полулетальные гены нейтрализует комплекс компенсаторных генов, который подавляет и компенсирует негативное воздействие полулеталей, за счет чего гомозиготные организмы по эмбриональному полулетальному аллелю отличаются повышением жизнеспособности, улучшением морфологических признаков и имеют повышенные хозяйственно-ценные признаки [8]. Таким образом, эмбриональные полулетальные аллели можно использовать как молекулярные маркёры.

У сосны обыкновенной ген-ферментный локус глутаматдегидрогеназы (GDH) представлен двумя аллельными вариантами. Установлено, что наиболее подвижный при электрофорезе аллель Gdh-1¹ является эмбриональным полулеталем [9]. Данный фермент имеет важное значение для роста и развития древесных растений: участвует в метаболизме аминокислот, что оказывает влияние на развитие, продуктивность и устойчивость растений. Таким образом, ген-ферментный локус глутаматдегидрогеназы рассмотрен нами как молекулярный маркер устойчивости сосны обыкновенной к изменяющимся природно-климатическим условиям.

Материалы и методы

Для изучения жизненного состояния сосны обыкновенной в Воронежской области нами отобрана случайная выборка из 30 деревьев, произрастающих в степной зоне (п. Кантемировка). Данная территория характеризуется повышенной относительно многолетней региональной нормы температурой воздуха в весенне-летний период, а также малым количеством осадков, что формирует жесткие гидротермические условия для произрастания сосны обыкновенной [10].

По данным Кантемировского лесничества, изучаемое насаждение, расположенное в п. Кантемировка, заложено в 1999 году на пологих (1–6°) склонах южной и западной экспозиций. Открытых водоемов вблизи насаждения нет. Грунтовые воды залегают на глубине около 10–15 м. Почва – черноземы обыкновенные маломощные слабосмытые тяжелосуглинистые. Площадь насаждения 1,85 га.

Общее жизненное состояние (ОЖС) сосны обыкновенной оценивали по методике А.С. Боголюбова [11]. Критериями оценки ОЖС являются: дефолиация кроны, дехромация хвои, количество новых и старых шишек, прирост верхушечного побега. Каждый показатель оценивали по 5-балльной шкале, где 0-наивысший балл, затем по совокупности баллов определяли класс ОЖС.

Генетическую и аллельную структуры глутаматдегидрогеназы изучали с помощью изоферментного анализа. Разделение белковых экстрактов осуществляли в вертикальном блоке полиакриламидного геля, с последующим гистохимическим окрашиванием фермента [12]. Белковые экстракты получали из индивидуальных эндоспермов. Для характеристики каждого дерева использовано 6–10 семян.

Результаты исследования и их обсуждение

По результатам оценки ОЖС Pinus sylvesris L. степной зоны [13] можно выделить две группы растений. Так, среди проанализированной выборки из 30 деревьев питомника Кантемировского лесничества наивысший балл ОЖС (9–10 баллов) имеют 7 деревьев. Они представляют собой ослабленную группу изучаемой популяции. Наименьший балл ОЖС (4–6 баллов) имеют 9 сосен – деревья, находящиеся в хорошем жизненном состоянии.

На основании разделения изучаемой популяции сосны обыкновенной на группы сильных и ослабленных, провели изоферментный анализ в каждой группе деревьев.

По результатам анализа генотипической структуры популяции сосны наблюдаются следующие результаты (рис. 1). В группе с ослабленным жизненным состоянием 57% деревьев являются гомозиготами по медленному аллелю Gdh-1²/Gdh-1², а 43% являются гетерозиготами Gdh-1¹/Gdh-1². В группе с наилучшими признаками жизненного состояния гомозиготами по медленному аллелю являются 45% деревьев, гетерозиготы составляют 33%, а гомозиготы по быстрому аллелю, являющемуся эмбриональным полулеталем Gdh-1¹/Gdh-1¹ составляют 22%.

Таким образом, нами отмечено увеличение доли генотипов с полулетальным аллелем в группе деревьев с наилучшими показателями жизненного состояния: 22% гомозигот по эмбриональному полулеталю, в то время как в группе слабых деревьев таких генотипов не зафиксировано.

Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что в группе с лучшим жизненным состоянием сосны обыкновенной, происходит увеличение доли организмов, являющихся гомозиготами по быстрому аллелю Gdh-1¹/Gdh-1¹ и, соответственно, уменьшение доли гомозигот по медленному аллелю.

Проанализирована частота аллелей глутаматдегирогеназы в изучаемой выборке сосны обыкновенной (рис. 2). В группе слабых деревьев наибольшую частоту 79% имеет медленный аллель Gdh-1², быстрый аллель Gdh-1¹ встречается в 21% случаев. В группе деревьев с лучшими показателями ОЖС наблюдается несколько другое соотношение между частотами аллелей: частота медленного аллеля составляет 61%, а частота быстрого полулетального аллеля – 39%.

Таким образом, в группе деревьев с лучшим жизненным состоянием эмбриональный полулетальный аллель встречается на 18% чаще, чем в группе с высоким уровнем повреждения.

 

Рисунок 1 – Частота генотипов глутаматдегидрогеназы сосны обыкновенной по группам ОЖС: А – слабых деревьев, Б – сильных деревьев

 

Рисунок 2 – Частоты аллелей локуса глутаматдегидрогеназы сосны обыкновенной по группам ОЖС: А – слабых деревьев, Б – сильных деревьев

 

Заключение

Проведя изоферментый анализ локуса глутаматдегидрогеназы сосны обыкновенной и произведя оценку жизненного состояния изучаемой выборки сосны, выявлена следующая закономерность: в группе деревьев, обладающих лучшими показателями жизненного состояния, отмечено увеличение доли деревьев, являющихся гомозиготами по эмбриональному полулеталю, а также гетерозигот, содержащих полулетальный аллель, в то время как в группе слабых деревьев гомозигот по эмбриональному полулеталю не зафиксировано. Такая же тенденция отмечена и в аллельной структуре изученных групп деревьев: среди наиболее сильных сосен доля полулетального аллеля в 1,9 раз выше, чем в группе ослабленных деревьев.

Таким образом, можно сделать вывод, что в нашем исследовании подтверждается концепция В.А. Струнникова: группа деревьев с высокой долей эмбриональных полулеталей имеет наиболее высокие признаки жизненного состояния среди изученной популяции. Исходя из этого, глутаматдегидрогеназа может быть рассмотрена как молекулярный маркер устойчивости сосны обыкновенной к негативным условиям среды.

×

Об авторах

Алина Петровна Дегтярева

Всероссийский научно-исследовательский институт лесной генетики, селекции и биотехнологии

Email: ali.serdyukova@yandex.ru

младший научный сотрудник лаборатории экологической генетики

Россия, Воронеж

Наталья Ивановна Внукова

Всероссийский научно-исследовательский институт лесной генетики, селекции и биотехнологии

Email: natalya.vnuckova@yandex.ru

научный сотрудник лаборатории биотехнологии

Россия, Воронеж

Ирина Ивановна Камалова

Всероссийский научно-исследовательский институт лесной генетики, селекции и биотехнологии

Автор, ответственный за переписку.
Email: kamairi@yandex.ru

кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией биохимии, молекулярной генетики и физиологии растений

Россия, Воронеж

Список литературы

  1. Мохов И.И., Семёнов В.А. Погодно-климатические аномалии в российских регионах и их связь с глобальными изменениями климата // Метеорология и гидрология. 2016. № 2. С. 16-28.
  2. Кузнецова Н.Ф. Засухи в лесостепной зоне Центрально-Черноземного региона и критерии оценки их интенсивности // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Науки о Земле. 2019. Т. 19, № 3. С. 142-148.
  3. Паршутина Л.П. О южной границе лесостепи в пределах Воронежской области // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14, № 1 (6). С. 1634-1637.
  4. Дегтярева А.П. Изменение климата в районе степей Центрального Черноземья в весенне-летний период // Global and Regional Research. 2021. Т. 3, № 4. С. 268-273.
  5. Кузмичев А.М., Овчаренко А.А. Оценка засухоустойчивости древесных насаждений в среднем Прихоперье // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14, № 1 (8). С. 1971-1974.
  6. Свинцова В.С., Кузнецова Н.Ф., Пардаева Е.Ю. Влияние засухи на генеративную сферу и жизнеспособность пыльцы сосны обыкновенной // Лесоведение. 2014. № 3. С. 49-57.
  7. Янбаев Ю.А., Музафарова А.А., Габитова А.А. Изоферментные маркеры и полиакриламидный диск-электрофорез в решении фундаментальных и прикладных задач лесной генетики и селекции: учеб. пособие. Уфа, 2011. 16 с.
  8. Струнников В.А. Новая гипотеза гетерозиса и ее научное и практическое значение // Вестник сельскохозяйственной науки. 1983. № 1 (316). С. 34-40.
  9. Камалова И.И., Камалов Р.М. Динамика генетической структуры локуса глутаматдегидрогеназы как маркер состояния насаждений сосны обыкновенной // Мониторинг и оценка состояния растительного мира: мат-лы междунар. науч. конф. Института экспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича НАН Беларуси (22-26 сентября 2008 г., г. Минск). Минск: Право и экономика, 2008. С. 167-168.
  10. Serdyukova A.P. The state of Scots pine plantations in the steppe Voronezh Region in drought conditions and under anthropogenic influence // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Orenburg, 2021. doi: 10.1088/1755-1315/817/1/012098.
  11. Боголюбов А.С., Буйволов Ю.А., Кравченко М.В. Оценка жизненного состояния леса по сосне. М.: Экосистема, 1999. 25 с.
  12. Гончаренко Г.Г., Падутов В.Е., Потенко В.В. Руководство по исследованию хвойных видов методом электрофоретического анализа изоферментов. Изд. 2-е перераб. и доп. Гомель: БелНИИЛХ, 1989. 163 с.
  13. Сердюкова А.П. Сравнительный анализ признаков жизненного состояния Pinus sylvestris L. в условиях антропогенной нагрузки и на экологически благоприятной территории // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2020. № 8 (47). С. 10-13.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рисунок 1 – Частота генотипов глутаматдегидрогеназы сосны обыкновенной по группам ОЖС: А – слабых деревьев, Б – сильных деревьев

Скачать (45KB)
3. Рисунок 2 – Частоты аллелей локуса глутаматдегидрогеназы сосны обыкновенной по группам ОЖС: А – слабых деревьев, Б – сильных деревьев

Скачать (38KB)

© Дегтярева А.П., Внукова Н.И., Камалова И.И., 2022

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.