Features of the genotypic structure of Scots pine glutamate dehydrogenase depending on the vital state of the tree

Full Text

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.

About the authors

Alina Petrovna Degtyareva

All-Russian Research Institute of Forest Genetics, Breeding and Biotechnology

Email: ali.serdyukova@yandex.ru

junior researcher of Ecological Genetics Laboratory

Russian Federation, Voronezh

Natalya Ivanovna Vnukova

All-Russian Research Institute of Forest Genetics, Breeding and Biotechnology

Email: natalya.vnuckova@yandex.ru

researcher of Biotechnology Laboratory

Russian Federation, Voronezh

Irina Ivanovna Kamalova

All-Russian Research Institute of Forest Genetics, Breeding and Biotechnology

Author for correspondence.
Email: kamairi@yandex.ru

candidate of biological sciences, leading researcher, head of Biochemistry, Molecular Genetics and Plant Physiology Laboratory

Russian Federation, Voronezh

References

Supplementary files