On the study of molecular markers of the genus Picea in Russia and Belarus

Full Text

Изучение и сохранение разнообразия генетических ресурсов лесных древесных растений является актуальной задачей исследователей современности. Сокращение и потеря генетического разнообразия по причине изменения окружающей среды и, как следствие, деградация лесных насаждений представляют собой острую проблему настоящего времени. Изменения окружающей среды происходят как по естественным причинам, так и вследствие усиливающейся антропогенной нагрузки. Для сохранения и воспроизводства лесов важно изучать генетическую структуру и изменчивость основных лесообразующих видов, сохранять богатство генофонда популяций [1, с. 58].

Ель обладает широким ареалом произрастания на территории России. Данная порода относится к основным лесообразующим, имеет хозяйственно ценное значение, выполняет противоэрозионные и средообразующие функции [2, с. 1106]. В настоящее время из-за активной хозяйственной деятельности человека повсеместно фиксируется антропогенное загрязнение окружающей среды, вследствие чего прогрессирует изменение климата: повышение температуры, снижение числа осадков, формируются засухи [3, с. 14]. Данный факт влечет за собой активизацию деятельности вредителей и болезней в еловых лесах, влияет на качество древесины, способствует снижению устойчивости, усыханию и дальнейшей гибели деревьев и целых популяций [4, с. 304; 5, с. 28; 6, с. 21]. Поэтому актуальной задачей для эффективного сохранения и воспроизводства генетических ресурсов ценных лесообразующих видов является поиск молекулярных маркеров и изучение генетического разнообразия еловых лесов.

Популярным и развивающимся способом исследования генетического разнообразия являются молекулярные маркеры [7, с. 32]. В современной науке использование молекулярных маркеров широко применяется учеными во всем мире. Благодаря использованию ДНК-маркеров становится возможным выявлять генетическое разнообразие популяций, создавать генетические паспорта сортов, линий и гибридов различных растений [8, с. 386]. Для селекции молекулярные маркеры имеют очень большое значение: данный метод позволяет в более короткий срок, чем классические методы селекции, выявить генетические маркеры хозяйственно ценных признаков и применять их для сохранения селекционных достижений [9, с. 69]. Молекулярные маркеры позволяют выявлять механизмы адаптации растений к изменяющимся экологическим особенностям состояния окружающей среды [10, p. 403].

В современных генетических исследованиях рода Picea используют методы с применением мультилокусных ISSR ДНК-маркеров (маркеры, основанные на межмикросателитных последовательностях (Inter Simple Sequence Repeates)), митохондриальных ДНК-маркеров, хлоропластных (цитоплазматических) молекулярных маркеров и ядерных последовательностей [11, с. 13]. Для характеристики генетической структуры популяций в анализ включают не менее 15 микросателлитных маркеров, однако если применятся SNPs (полиморфные маркеры с однонуклеотидными заменами), то это число должно быть увеличено. Известно, что уровень полиморфизма зависит от типа выбранного молекулярного маркера. Самый высокий уровень внутривидового полиморфизма встречается в исследованиях с применением SSR (микросателлиты), SNPs и DArT, далее по степени снижения полиморфности располагаются ISSR маркеры, AFLP и замыкают этот список RAPD, RFLP и CAPS [12, с. 220]. Именно высокий уровень полиморфности позволяет рекомендовать к использованию тот или иной маркер, так как обеспечивает хорошую разрешающую способность, при которой фиксируются наибольшие различия в генотипах исследуемых образцов. Исходя из этого, SNPs, SSR и DArT, выявляющие самые высокие уровни полиморфизма, являются наиболее продуктивными для исследований генетического разнообразия любых видов рода Picea [13, с. 19].

Целью данной работы является обзор и отражение основных результатов современных исследований молекулярных маркеров рода Picea в России и Белоруссии.

В работе О.В. Шейкиной с соавторами [14] исследования генетической структуры плюсовых деревьев ели обыкновенной проводились с использованием 15 ISSR маркеров. Исследование генетического разнообразия и тестирование отобранных ДНК-маркеров проводили на 26 клонах Picea abies L. в Учебно-опытном лесхозе Поволжского государственного технологического университета. По результатам исследований было отобрано 9 ISSR маркеров, доля полиморфных локусов которых составила 86,6%: (GA)9T, (AC)8C, (CA)6RY, (CA)6RG, (CA)6(GT), (CA)6(AC), (AG)8T, (GA)8T, (AG)8YT. Такой высокий уровень полиморфизма отобранных праймеров позволяет рекомендовать их для анализа большого количества генотипов ели.

Отобранные в исследованиях О.В. Шейкиной 9 перспективных ISSR маркеров применялись в работе А.А. Прохоровой с соавторами [15, с. 91]. В статье изучено генетическое разнообразие и филогеографическое происхождение клоновых потомств ели гибридной (финской) (Picea × fennica (Regel) Kom.), произрастающих на архиве клонов, который представлен плюсовыми деревьями из различных регионов России. По результатам проведенных исследований с использованием 9 ISSR был выявлен высокий уровень полиморфных локусов – 97%. Представлены полученные результаты генетической структуры популяций плюсовых деревьев ели гибридной в таблице 1.

Таблица 1 – Генетическое разнообразие клоновых потомств ели гибридной из разных регионов РФ по результатам анализа [15, с. 91]

Проанализировав показатели генетической дистанции, авторы установили, что наиболее удалены плюсовые деревья Марий Эл и Удмуртии, а наименее – Марий Эл и Нижегородской области, при этом значение показателя генетической дистанции варьировало в пределах 0,0328–0,2295. Таким образом, результаты молекулярно-генетического анализа потомств клонов ели гибридной сделали возможным выделить 3 группы деревьев по географическому происхождению: 1 – из Марий Эл и Нижегородской области, 2 – из Кировской и Пермской областей, 3 – из Удмуртии.

В статье А.К. Экарт с соавторами [16, с. 842] изучена перспектива использования минисателлитного локуса mh44 митохондриальной ДНК (мтДНК) для исследования внутри- и межпопуляционной генетической изменчивости ели сибирской, а также для анализа истории географического распространения популяций Picea obovata Ledeb. Объектом исследования послужили 24 выборки (всего 720 деревьев) популяций ели сибирской в Красноярском крае, республиках Алтай, Хакасия, Тыва, Бурятия, Якутия, в Новосибирской, Иркутской, Магаданской и Амурской областях, а также в Монголии.

По результатам молекулярно-генетического анализа локуса mh44 обнаружено 13 аллельных вариантов. Число выявленных аллелей варьирует от 1 до 11 и в среднем составляет 5,54 ± 0,69. Исследуемый локус mh44 мтДНК оказался мономорфным в популяциях ели из Магаданской области, Якутии и Бурятии. При этом самый высокий уровень полиморфизма отмечен в популяции ели сибирской из Хакасии.

Анализ молекулярной изменчивости AMOVA показал, что межпопуляционная изменчивость 24 популяций ели сибирский составила 25% (PhiPT = 0,253, P = 0,01) – это достаточно высокое значение, а на долю внутрипопуляционной изменчивости приходится 75% всего наблюдаемого генетического разнообразия по локусу mh44.

На основании проведенных исследований авторы заключили, что локус mh44 не отвечает предъявляемым требованиям для филогеографических исследований ели сибирской. Однако, учитывая высокий процент изменчивости и межпопуляционной дифференциации, данный локус mh44 может быть использован совместно с другими маркерами мтДНК для изучения пространственной генетической структуры внутри популяции и на межпопуляционном уровне, а также для решения ряда других проблем популяционной генетики, использующих молекулярно-генетические маркеры.

В работе Е.К. Потокиной с соавторами [17, с. 818] произведен анализ генетической изменчивости митохондриального гена Nad1 в 28 климатипах географических культур ели P. abies и P. obovata из разных регионов европейской России с целью изучения исторического распространения видов на исследуемых территориях. По результатам анализа 221 дерева из географических культур ели выявлено 9 аллельных вариантов гена Nad1. Анализ частот встречаемости аллелей гена Nad1 среди всех изученных климатипов ели выявил аллель длиной 721 пар нуклеотидов как наиболее распространенный. Установили, что все ели по полиморфизму гена Nad1 возможно разделить на кластеры: «северная семья» P. аbies – ели данного кластера произрастают в странах северной Европы и в европейской части России; «южная семья» P. abies – ели данного кластера произрастают в Закарпатье, к виду P. obovata отнесли все образцы елей из Красноярского края и экземпляр из восточного пункта Свердловской обл.

Исследования генетической структуры еловых лесов Белоруссии отражены в научной работе В.Е. Падутова с соавторами [18, с. 439]. В статье изложены исследования 57 древостоев P. abies естественного происхождения на территории Белоруссии. Для изучения исторического происхождения и распространения вида P. аbies на территории страны, а также для характеристики генетической структуры насаждений использовали 3 микросателлитных локуса хлоропластной ДНК (хпДНК) Pt63718, Pt26081 и Pt71936, для которых обнаружено 19 аллельных вариантов. Анализ мтДНК выполнен по локусу mt15-D002, для которого обнаружено 2 аллельных варианта.

Авторы установили, что на территории южной границы распространения P. abies, некоторые аллельные варианты микросателлитных локусов хлоропластной ДНК имеют свою специфику по сравнению со средними значениями по виду для Белоруссии. Такие результаты, по-видимому, можно объяснить особенностью распространения изучаемого древесного вида в направлении «юг – север» и «запад – восток». Анализ мтДНК P. abies также обнаружил высокую долю полиморфных локусов и иллюстрирует особенности исторического происхождения P. abies в границах исследуемой территории: зафиксированы особи южного карпатского и северного бореального происхождения.

Изучение ДНК маркеров является актуальным направлением для характеристики популяционно-генетической структуры еловых насаждений, а также может быть использовано для выявления механизмов адаптации видов рода Picea к изменениям окружающей среды: известно, что с повышением генетической изменчивости популяции, происходит повышение ее экологической пластичности [19, с. 3].

Объединили данные, собранные в ходе обзора, в таблицу (табл. 2), где отразили регион исследования, используемые молекулярные маркеры и основные выводы.

Таблица 2 – Основные выводы из исследований генетической структуры рода Picea в России и Белоруссии

Таким образом, из обзора современных молекулярно-генетических исследований еловых насаждений России и Белоруссии можно сделать заключение, что представленные в таблице молекулярные маркеры подходят как для характеристики генетической структуры внутри популяций ели, так и между популяциями, а также для изучения истории географического распространения и формирования ареала распространения деревьев рода Picea и определения их видовой принадлежности.

About the authors

Alina P. Degtyareva

Author for correspondence.
Email: ali.serdyukova@yandex.ru

junior researcher of Forest Genetics and Biotechnology Department

References

Supplementary files