Особенности генетической структуры популяции Pinus sylvestris L. в степной зоне Европейской России. С. 49–64

УДК

575.174.015.3:582.475

DOI:

10.37482/0536-1036-2024-2-49-64

Аннотация

Представлены результаты исследования генетической структуры сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), произрастающей на экологически благоприятной территории степной зоны Европейской России. Объектом исследования служили 35-летние лесные культуры сосны (Воронежская область, Кантемировский район, III бонитет, тип лесорастительных условий – А₁, случайная выборка, 60 деревьев). Генетическое разнообразие изучалось на основе микросателлитного анализа 18 SSR-локусов (14 EST-SSR-локусов и 4 nSSR-локусов) и 2 изозимных локусов (шикиматдегидрогеназы и глутаматдегидрогеназы – Skdh и Gdh соответственно). Выявлено, что у изученной популяции все использованные микросателлитные локусы, за исключением lw_isotig02842, являются полиморфными. Получены средние показатели генетической изменчивости, рассчитанные по микросателлитным локусам: доля полиморфных локусов – 94,44 %, среднее число аллелей на локус – 3,500, среднее эффективное число аллелей – 2,466, наблюдаемая и ожидаемая гетерозиготность – 0,209 и 0,493 соответственно, индекс фиксации Райта – 0,577. Насаждение по уровню аллельного разнообразия характеризуется относительно более низкими значениями генетико-статистических популяционных параметров (средней наблюдаемой и ожидаемой гетерозиготностью) по сравнению с естественными лесостепными популяциями Центрально-Черноземного района. Высокий положительный индекс фиксации Райта указывает на наличие у деревьев повышенной доли инбридинга. Обсуждаются причины и возможная природа выявленного феномена. На основании изоферментного анализа рассмотрена генетическая структура локусов Skdh и Gdh. Результаты свидетельствуют о высокой частоте быстрого аллеля Skdh-1¹ (82 %) и эмбрионального полулетального аллеля Gdh-11 (22 %), что, по-видимому, можно считать одним из механизмов адаптации популяции к условиям более теплого и сухого климата района степей. Установлен недостаток гетерозигот глутаматдегидрогеназы. Отмечено, что группы EST-SSR- и nSSR-локусов различаются по уровню генетической изменчивости и популяционной структуре. Показано, что совместное использование разных типов генетических маркеров дает возможность получить более полную и объективную информацию об отличительных особенностях генетической структуры сосновых лесов в оптимальной и пессимальной зонах ареала. Изученные 18 микросателлитных локусов могут быть использованы для оценки генетического разнообразия популяций и деревьев сосны обыкновенной в степном районе Европейской России.

Сведения об авторах

И.И. КамаловаƗ, канд. биол. наук
М.Ю. Петюренко, канд. с.-х. наук; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1956-1601
А.П. Дегтярева*, мл. науч. сотр.; ORСID: https://orcid.org/0000-0001-9583-2368
Н.Ф. Кузнецова, канд. биол. наук; ResearcherID: H-7344-2014, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9947-6698
Н.И. Внукова, науч. сотр.; ResearcherID: ABB-2720-2021, ORСID: https://orcid.org/0000-0002-7807-4179
Всероссийский научно-исследовательский институт лесной генетики, селекции и биотехнологии, ул. Ломоносова, д. 105, г. Воронеж, Россия, 394087; forestgenetic@mail.ru, ali.serdyukova@yandex.ru*, nfsenyuk@mail.ru, natalya.vnuckova@yandex.ru

Ключевые слова

сосна обыкновенная, SSR-маркер, изоферментный анализ, аллельная структура, генетическое разнообразие, Воронежская область

Для цитирования

Камалова И.И., Петюренко М.Ю., Дегтярева А.П., Кузнецова Н.Ф.,
Внукова Н.И. Особенности генетической структуры популяции Pinus sylvestris L. в степной зоне Европейской России // Изв. вузов. Лесн. журн. 2024. № 2. С. 49–64. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2024-2-49-64

Литература

1. Алтухов Ю.П. Генетические процессы в популяциях. М.: Наука, 1989. 328 с. 

2. Белоконь М.М., Политов Д.В., Мудрик Е.А., Полякова Т.А., Шатохина А.В., Белоконь Ю.С., Орешкова Н.В., Путинцева Ю.А., Шаров В.В., Кузмин Д.А., Крутовский К.В. Разработка микросателлитных маркеров сосны кедровой сибирской (Pinus sibirica Du Tour) по результатам полногеномного de novo секвенирования // Генетика. 2016. Т. 52, № 12. С. 1418–1427. https://doi.org/10.7868/S0016675816120031

3. Бельгард А.Л. Степное лесоведение. М.: Лесн. пром-сть, 1971. 321 с. 

4. Гладков Ю.Ф., Шейкина О.В. Генетический полиморфизм деревьев сосны обыкновенной из смежных болотной и суходольной ценопопуляций по ядерным микросателлитным локусам // Вестн. ПГТУ. Сер.: Лес. Экология. Природопользование. 2019. № 4(44). С. 70–79. https://doi.org/10.25686/2306-2827.2019.4.70

5. Ивановская С.И. Генетический потенциал сосновых насаждений Полесского лесосеменного района на основе молекулярно-генетического анализа // Тр. БГТУ. Сер. 1: Лесн. хоз-во. 2012. № 1(148). С. 168–171. 

6. Ивановская С.И. Оценка генофонда сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в плюсовых насаждениях Беларуси по данным изоферментного анализа // Тр. БГТУ. Сер. 1: Лесн. хоз-во. 2014. № 1(165). С. 130–134.

7. Исаков Ю.Н., Семериков В.Л. Связь генотипа по некоторым аллозимным локусам и способности к самоопылению у сосны обыкновенной // Генетика. 1997. Т. 33, № 2. С. 274–276.

8. Калько Г.В. Тестирование ядерных микросателлитных маркеров сосны обыкновенной // Тр. СПбНИИЛХ. 2017. № 1. С. 23–34. https://doi.org/10.21178/2079-6080.2017.1.23

9. Камалова И.И. Методические указания для идентификации клонов сосны обыкновенной с использованием ген-ферментных маркеров. Воронеж: НИИЛГИС, 2001. 24 с. 

10. Камалова И.И., Внукова Н.И., Наквасина Е.Н., Шутяев А.М. Особенности изменчивости ферментных локусов в популяциях ели в географических культурах // Генетические ресурсы культурных растений. Проблемы эволюции и систематики культурных растений: Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 120-летию со дня рождения Е.Н. Синской, Санкт-Петербург, 9–11 дек. 2009 г. СПб.: Всерос. науч.-исслед. ин-т растениеводства им. Н.И. Вавилова, 2009. С. 69–72. 

11. Крутовский К.В., Политов Д.В., Алтухов Ю.П., Милютин Л.И., Кузнецова Г.В., Ирошников А.И., Воробьев В.Н., Воробьева Н.А. Генетическая изменчивость сибирской кедровой сосны Pinus sibirica Du Tour. Сообщ. 4. Генетическое разнообразие и степень генетической дифференциации между популяциями // Генетика. 1989. Т. 25, № 11. С. 2009−2031. 

12. Кузнецова Н.Ф., Исаков Ю.Н. Проявление уровня самофертильности у сосны обыкновенной в зависимости от климатических условий года // Экология. 1996. № 4. С. 264–267. 

13. Матвеев Н.М. Степные леса Заволжья // Самарская Лука: Проблемы регион. и глобал. экологии. 2015. Т. 24, № 4. С. 48–71. 

14. Мильков Ф.Н. О естественных ландшафтах юга Русской равнины // Изв. РАН. Сер.: Географическая. 1995. № 5. С. 5–18.

15. Наквасина Е.Н., Юдина О.А., Прожерина Н.А., Камалова И.И., Минин Н.С. Географические культуры в ген-экологических исследованиях на Европейском Севере. Архангельск: САФУ им. М.В. Ломоносова, 2008. 308 с.

16. Орешкова Н.В., Путинцева Ю.А., Шаров В.В., Кузьмин Д.А., Крутовский К.В. Разработка микросателлитных маркеров лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) на основе полногеномного de novo секвенирования // Генетика. 2017. Т. 53, № 11. С. 1278–1284. https://doi.org/10.7868/S0016675817110091

17. Падутов В.Е. Генетические ресурсы сосны и ели в Беларуси. Гомель: ИЛ НАНБ, 2001. 144 с.

18. Падутов В.Е., Чурило Е.В., Каган Д.И., Ивановская С.И. Лесоводственная и генетическая оценка ресурсного потенциала сосновых насаждений ГЛХУ «Кореневская экспериментальная лесная база Института леса НАН Беларуси» // Вестн. ГрГУ им. Янки Купалы. Сер. 5: Экономика. Социология. Биология. 2021. Т. 11, № 1. С. 100–109.

19. Петров К.М. Степи – наша гордость и боль // Биосфера. 2012. Т. 4, № 4. С. 370–384.

20. Петюренко М.Ю., Камалова И.И., Сердюкова А.П. Экстракция суммарной ДНК из Pinus sylvestris L. при оценке полиморфизма с использованием SSR- и RAPD-маркеров // Тр. СПбНИИЛХ. 2021. № 3. С. 13–25. https://doi.org/10.21178/2079-6080.2021.2.13

21. Политов Д.В., Белоконь М.М., Белоконь Ю.С. Динамика аллозимной гетерозиготности в дальневосточных популяциях кедрового стланика Pinus pumila (Pall.) Regel: сравнение зародышей и материнских растений // Генетика. 2006. Т. 42, № 10. С. 1348–1358. 

22. Санников С.Н., Петрова И.В. Дифференциация популяций сосны обыкновенной. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 247 с. 

23. Семериков В.Л., Подогас А.В., Шурхал А.В. Структура изменчивости аллозимных локусов в популяциях сосны обыкновенной // Экология. 1993. № 1. С. 18−25.

24. Струнников В.А. Новая гипотеза гетерозиса и ее научное и практическое значение // Вестн. рос. с.-х. науки. 1983. № 1(316). С. 34–40.

25. Тихонова И.В., Семериков В.Л., Семерикова С.А., Дымшакова О.С., Зацепина К.Г. О выборках в исследованиях внутривидового генетического разнообразия сосны обыкновенной // Сиб. лесн. журн. 2014. № 4. С. 99–109. 

26. Торбик Д.Н., Бедрицкая Т.В., Власова М.М., Синельников И.Г. Генетическое разнообразие естественных популяций Pinus sylvestris L. // Наука – лесному хозяйству Севера: сб. науч. тр. ФБУ «СевНИИЛХ». Архангельск, 2019. С. 91–99. 

27. Экарт А.К., Ларионова А.Я., Зацепина К.Г., Кравченко А.Н., Жамъянсурэн С., Тихонова И.В., Тараканов В.В. Генетическое разнообразие и дифференциация популяций сосны обыкновенной в Южной Сибири и Монголии // Сиб. экол. журн. 2014. № 1. C. 69–78. 

28. Auckland L.D., Bui T., Zhou Y., Shepherd M., Williams C.G. Conifer Microsatellite Handbook. Texas A&M University, College Station TX, 2002. 57 p.

29. Behiye B.B., Kaya N. Genetic Diversity among Pinus sylvestris L. Populations and its Implications for Genetic Conservation: Comparison of Nuclear and Chloroplast Microsatellite Markers. Fresenius Environmental Bulletin, 2017, vol. 26, no. 11, pp. 6873–6881.

30. Díaz J., Barceló A.R., de Cáceres F.M. Changes in Shikimate Dehydrogenase and the End Products of the Shikimate Pathway, Chlorogenic Acid and Lignins, during the Early Development of Seedlings of Capsicum Annuum. New Phytologist, 1997, vol. 136, iss. 2, pp. 183–188. https://doi.org/10.1046/j.1469-8137.1997.00743.x

31. East Е.М. Self-Sterility. Bibliographia Genetica, 1929, vol. 5, pp. 331–368.

32. Eckert A.J., Heerwaarden van J., Wegrzyn J.L., Nelson C.D., Ross-Ibarra J., González-Martínez S.C., Neale D.B. Patterns of Population Structure and Environmental Associations to Aridity across the Range of Loblolly Pine (Pinus taeda L., Pinaceae). Genetics, 2010, vol. 185, iss. 3, pp. 969–982. https://doi.org/10.1534/genetics.110.115543

33. Kuznetsova N.F. Self-Fertility in Scots Pine as a System for Regulating Close Relationships and Species Survival in an Adverse Environment. Advances in Genetic Research. New York, Nova Science Publishers Inc., 2012, pp. 83–106.

34. Fang P., Niu S., Yuan H., Li Zh., Zhang Y., Yuan L., Li W. Development and Characterization of 25 EST-SSR Markers in Pinus sylvestris var. mongolica (Pinaceae). Applications in Plant Sciences, 2014, vol. 2, iss. 1, art. no. 1300057. https://doi.org/10.3732/apps.1300057

35. Peakall R., Smouse P.E. GENALEX 6: Genetic Analysis in Excel. Population Genetic Software for Teaching and Research. Molecular Ecology Notes, 2006, vol. 6, iss. 1, pp. 288–295. https://doi.org/10.1111/J.1471-8286.2005.01155.X

36. 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, 2021, vol. 817, art. no. 012098. https://doi.org/1088/1755-1315/817/1/012098

37. Șofletea N., Mihai G., Ciocîrlan E., Curtu A.L. Genetic Diversity and Spatial Genetic Structure in Isolated Scots Pine (Pinus sylvestris L.) Populations Native to Eastern and Southern Carpathians. Forests, 2020, vol. 11, no. 10, art. no. 1047. https://doi.org/10.3390/f11101047

38. Soranzo N., Provan J., Powell W. Characterization of Microsatellite Loci in Pinus sylvestris L. Molecular Ecology, 1998, vol. 7, iss. 9, pp. 1260–1261.