Научная статья на тему 'Генетическая изменчивость митохондриальной ДНК Дуба черешчатого (Quercus robur L.) на Южном Урале'

Генетическая изменчивость митохондриальной ДНК Дуба черешчатого (Quercus robur L.) на Южном Урале Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
5
0
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
полиморфизм популяций / маркеры / восточная граница ареала / группы популяций / polymorphism of populations / markers / the eastern border of the geographic range / groups of populations

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Янбаев Руслан Юлаевич, Бахтина Светлана Юрьевна, Садыков Айдар Харисович, Янбаев Юлай Аглямович, Редькина Нина Николаевна

Введение. Актуальность исследования определяется необходимостью изучения генетической изменчивости популяций Дуба черешчатого (Quercus robur L.) на Южном Урале, где в течение длительного времени ухудшалось состояние насаждений. Несмотря на появление в последние годы работ, характеризующих полиморфизм популяций региона по ядерным и хлоропластным генам, генетические маркеры генома митохондрий для выявления изменчивости популяций ранее не использовались. Целью исследования является анализ генетической изменчивости митохондриальной ДНК дуба черешчатого на Южном Урале и выявление географического распределения популяций с разными гаплотипами на восточной границе ареала вида. Объекты и методы. Выборки дуба черешчатого отобраны в 23 естественных древостоях и одном искусственном насаждении Республики Башкортостан и в прилегающих территориях Пермского края и Свердловской области. Эти дубравы представляют основные физико-географические области региона, где произрастает дуб черешчатый. В качестве генетических маркеров были использованы пять однонуклеотидных полиморфизмов из набора генетических маркеров, ранее разработанного с применением технологии секвенирования ДНК нового поколения и генотипирования путём секвенирования. Результаты. Впервые установлено, что дубравы Южного Урала по изменчивости митохондриальной ДНК подразделяются на северную и южную группы. Насаждения дуба черешчатого Месягутовской лесостепи на северо-востоке Башкортостана, северных частей равнинного Предуралья и западного макросклона Уральского хребта, а также Уфимского плато (группа 1) отличались по гаплотипу от популяций, расположенных южнее в Башкирском Предуралье, в горно-лесной зоне Башкортостана, на Зилаирском плато и в Башкирском Зауралье (группа 2). В зоне контакта альтернативных митотипов обнаружена популяция, включающая деревья с обоими однонуклеотидными полиморфизмами генома митохондрий. Вывод. Полученные результаты о подразделении популяций дуба черешчатого Южного Урала на две географически чётко разделённые группы могут быть полезны для решения проблем ведения лесного хозяйства в дубравах региона, в том числе для оптимизации лесосеменного районирования вида в Республике Башкортостан и судебноботанической экспертизы с целью выявления источника происхождения древесины.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Янбаев Руслан Юлаевич, Бахтина Светлана Юрьевна, Садыков Айдар Харисович, Янбаев Юлай Аглямович, Редькина Нина Николаевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Genetic Variation of Mitochondrial DNA of Pedunculate Oak (Quercus robur L.) in the Southern Urals

Introduction. The importance of the study is determined by the need to study the genetic variation of pedunculate oak (Quercus robur L.) populations in the Southern Urals, where the condition of the stands has been deteriorating for a long time. Recent years have seen the appearance of studies that characterize the polymorphism in the populations of the region by nuclear and chloroplast genes. However, genetic markers of the mitochondrial genome have not been used before for the purpose of detecting population variation. The aim of the study is to analyze the genetic variation of the mitochondrial DNA of the pedunculate oak in the Southern Urals and to identify the geographical dissemination of populations with different haplotypes along the eastern border of the species' range. Objects and methods. Samples of pedunculate oak were selected in 23 natural stands and one artificial plantation of the Republic of Bashkortostan and in the adjacent territories of the Perm Krai and the Sverdlovsk Oblast. These oak forests represent the main physical-geographical areas of the region where the pedunculate oak grows. Five single-nucleotide polymorphisms from a set of genetic markers that had been previously developed using a new generation DNA sequencing technology and genotyping by sequencing were used as genetic markers. Results. For the first time, the oak forests of the Southern Urals have been found to be divided into the northern and southern groups according to the variation of mitochondrial DNA. The pedunculate oak stands of the Mesyagutovo forest-steppe area, the North-East of Bashkortostan, the northern parts of the Cis-Urals and the western macrosclope of the Ural Ridge, as well as the Ufa Plateau (Group 1) differed in haplotype from the populations located further south in the Bashkir Cis-Urals, the mountain forest zone of Bashkortostan, the Zilair Plateau and the Bashkir TransUrals (Group 2). A population was discovered in the contact zone of alternative mitotypes, which includes trees with both single-nucleotide polymorphisms of the mitochondrial genome. Conclusion. The obtained results on the subdivision of pedunculate oak populations growing in the Southern Urals into groups, which are clearly separated geographically, can be useful for solving the problems of forest management in the oak forests of the region. The latter include optimization of the forest-seed zoning of the species in the Republic of Bashkortostan and forensic botanical examination for identifying timber origin.

Текст научной работы на тему «Генетическая изменчивость митохондриальной ДНК Дуба черешчатого (Quercus robur L.) на Южном Урале»

Научная статья УДК 575.17: 633.873.1 https://doi.Org/10.25686/2306-2827.2023.4.22 EDN: GTQOVG

Г енетическая изменчивость митохондриальной ДНК Дуба черешчатого (Quercus robur L.) на Южном Урале

Р. Ю. Янбаевш, С. Ю. Бахтина1, А. Х. Садыков1, Ю. А Янбаев1, Н. Н. Редькина2

'Башкирский государственный аграрный университет,

Российская Федерация, 450001, Уфа, ул. 50-летия Октября, 34 2Уфимский университет науки и технологий,

Российская Федерация, 450076, Уфа, ул. Заки Валиди, 32 Ruslan.yanbaev@list.ruM

Введение. Актуальность исследования определяется необходимостью изучения генетической изменчивости популяций Дуба черешчатого (Quercus robur L.) на Южном Урале, где в течение длительного времени ухудшалось состояние насаждений. Несмотря на появление в последние годы работ, характеризующих полиморфизм популяций региона по ядерным и хлоропластным генам, генетические маркеры генома митохондрий для выявления изменчивости популяций ранее не использовались. Целью исследования является анализ генетической изменчивости митохондриальной ДНК дуба черешчатого на Южном Урале и выявление географического распределения популяций с разными гаплотипами на восточной границе ареала вида. Объекты и методы. Выборки дуба черешчатого отобраны в 23 естественных древостоях и одном искусственном насаждении Республики Башкортостан и в прилегающих территориях Пермского края и Свердловской области. Эти дубравы представляют основные физико-географические области региона, где произрастает дуб черешчатый. В качестве генетических маркеров были использованы пять однонуклеотидных полиморфизмов из набора генетических маркеров, ранее разработанного с применением технологии секвенирования ДНК нового поколения и генотипирования путём секвениро-вания. Результаты. Впервые установлено, что дубравы Южного Урала по изменчивости митохондриальной ДНК подразделяются на северную и южную группы. Насаждения дуба черешчатого Месягутовской лесостепи на северо-востоке Башкортостана, северных частей равнинного Предуралья и западного макросклона Уральского хребта, а также Уфимского плато (группа 1) отличались по гаплотипу от популяций, расположенных южнее в Башкирском Предуралье, в горно-лесной зоне Башкортостана, на Зилаирском плато и в Башкирском Зауралье (группа 2). В зоне контакта альтернативных митотипов обнаружена популяция, включающая деревья с обоими однонуклеотидными полиморфизмами генома митохондрий. Вывод. Полученные результаты о подразделении популяций дуба черешча-того Южного Урала на две географически чётко разделённые группы могут быть полезны для решения проблем ведения лесного хозяйства в дубравах региона, в том числе для оптимизации лесосеменного районирования вида в Республике Башкортостан и судебноботанической экспертизы с целью выявления источника происхождения древесины.

Ключевые слова: полиморфизм популяций; маркеры; восточная граница ареала; группы популяций

Финансирование: исследования проведены при поддержке гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых учёных МК-3699.2022.5.

© Янбаев Р. Ю., Бахтина С. Ю., Садыков А. Х., Янбаев Ю. А., Редькина Н. Н., 2023.

Для цитирования: Янбаев Р. Ю., Бахтина С. Ю., Садыков А. Х., Янбаев Ю. А., Редькина Н. Н. Генетическая изменчивость митохондриальной ДНК Дуба черешчатого (Quercus robur L.) на Южном Урале // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Лес. Экология. Природопользование. 2023. № 4 (60). С. 22-29. DOI: https://doi.Org/10.25686/2306-2819.2023.4.22; EDN: GTQOVG

Введение. Распространённый в широколиственных и смешанных лесах Европы Дуб черешчатый (Quercus robur L.) играет ключевую роль в устойчивости этих био-мов. Вид в популяционно-генетическом отношении детально изучен преимущественно в странах Западной, Центральной и Восточной Европы [1].

Например, лишь около двух процентов из исследованных 2 613 популяций дуба представляли обширную восточную часть ареала этой породы. Только в последние годы появились работы по изучению генетической изменчивости популяций дуба черешчатого Русской равнины, выполненные с применением современных высокоинформативных молекулярногенетических маркеров [2, 3].

Результаты этих работ могут стать полезными для решения проблем генетики и селекции Q. robur в России. В течение всего XX века состояние насаждений вида в российской части ареала существенно ухудшалось из-за воздействия экстремальных погодных явлений, повреждений деревьев насекомыми-вредителями и фитопатогенами [4], особенно в Республике Башкортостан [5]. В то же время ускоряющееся изменение климата последних десятилетий, приводящее к сокращению лесов и изменению их состава, вновь вызвало интерес к обладающему высокой засухоустойчивостью дубу черешчатому и появлению прогнозов усиления его роли в лесах будущего [6]. По этим причинам является актуальной задача исследования генофонда популяций вида на Южном Урале при помощи разных типов генетических маркеров, каждый из которых помогает полнее описать генетическое разнообразие, формирующее потенциал для адаптации организмов к экстремальным условиям среды и к изменению климата. В настоящее время в дубравах региона исследована генетическая изменчивость хлоропластной [2] и ядерной ДНК [7], но отсутствуют данные по митохондриальному геному. Восполнение этого пробела может дать

более полные возможности по улучшению системы ведения лесного хозяйства в дубравах.

Целью настоящего исследования является анализ генетической изменчивости митохондриальной ДНК дуба черешчатого и выявление географического распределения популяций с разными гаплотипами.

Объекты и методы исследования. Выборки дуба черешчатого для исследования отобраны в 23 естественных и одном искусственном насаждениях на всей территории Республики Башкортостан и в прилегающих территориях Пермского края и Свердловской области. Они представляют основные области распространения дубрав Южного Урала [5] - в Преду-ралье (выборки Blch, Blgr, Brsk, Burl, Bur2, Dg, Ils, Srs, Tmz), западном горнолесном макросклоне Южного Урала (Arc2, АгсА, Arclk, Arclm, Krg, Str, Urm), Зи-лаирском (Zlr) и Уфимском плато (Bab, Krd), на северо-востоке Башкортостана в Месягутовской лесостепи (Mlz, Msg, Pts), а также в Башкирском Зауралье (Kus). Все деревья относились к спелой возрастной группе. В большинстве выборок камбий для выделения ДНК отбирался с десяти деревьев, кроме насаждений в Архангельском, Баймакском и Бирском районах (см. табл. стр. 24). Для уменьшения вероятности влиянии на результаты семейной кластеризации расстояния между отбираемыми растениями составляли не менее 50 м.

Методика выделения ДНК для генетического анализа была описана ранее [3]. Её секвенирование проведено в LGC Genomics GmbH (ФРГ) с использованием системы Illumina NextSeq. Генетические маркеры были ранее разработаны [3] с применением технологии таргетного ге-нотипирования путём секвенирования (GBS, Genotyping By Sequencing). Из их числа для данной работы для анализа различий популяций использованы пять однонуклеотидных полиморфизмов (SNP, Single Nucleotide Polymorphisms) митохондриального генома.

Список изученных насаждений дуба черешчатого

List of studied pedunculate oak stands

№ Район Выборки Координаты N

1 Архангельский Arclm 54°26'56.6"N 57°06'58.9"E 10

2 Arclk 54°31'01.3"N 57°15'21.0"E 10

3 Arc2 54°25'13.7"N 56°47'53.9"E 10

4 АгсА 54°23'48.7"N 56°48'09.9"E 10

5 Иглинский Urm 54°50'19.0"N 57°01'45.8"E 10

6 Зилаирский Zlr 52°13'48.0"N 57°19'12.0"E 10

7 Туймазинский Tmz 54°26'29.4"N 53°30'43.6"E 10

8 Илешовский Ils 55°21'46.0"N 54°28'42.0"E 10

9 Бураевский Bur 55°51'44.3"N 55°38'50.3"E 10

10 Bur2 55°50'48.8"N 55°09'14.4"E 10

11 Мишкинский Bab 55°28'39.0"N 56°08'11.8"E 10

12 Бирский Brsk 55°28'58.1"N 55°36'04.3"E 20

13 Благоварский Blgr 54°40'50.5"N 54°48'19.1"E 10

14 Благовещенский Blch 55°09'14.4"N 55°50'48.8"E 10

15 Караидельский Krd 55°50'04.9"N 56°43'18.8"E 10

16 Салаватский Mlz 55°10'22.8"N 58°14'15.6"E 10

17 Дуванский Msg 55°29'19.0"N 58°19'00.1"E 10

18 Нижнесергинский* Chl 56°12'29.9"N 59°08'47.4"E 10

19 Бардынский** Srs 56°47'22.6"N 55°46'45.5"E 10

20 Куединский** 56°33'06.4"N 55°41'34.4"E 10

21 Артинский* Pts 56°12'18.0"N 58°43'38.6"E 10

22 Баймакский Kus 52°58'33.6"N 58°20'06.0"E 50

23 Куюргазинский Krg 52°37'20.0"N 55°38'44.0"E 10

24 Стерлитамакский Str 53°39'30.7"N 56°08'35.7"E 10

Примечание: N - число изученных растений; * - Свердловская область, ** - Пермский край, остальные выборки представляют дубравы Республики Башкортостан.

Результаты и их обсуждение. Результаты исследования показали, что один из изученных митохондриальных SNPs был инвариантным во всех 24 дубравах Южного Урала. Полиморфизм популяций установлен по остальным четырём генетическим маркерам, что позволило идентифицировать в регионе два разных метоти-па. Наблюдается чёткая географическая дифференциация популяций дуба череш-чатого по распределению альтернативных митохондриальных гаплотипов (см. рис. стр. 25) на условно «северную» и «южную» группы. Их размещение на изученной территории не приурочено к ранее выделенным [5] группам дубрав, приуроченных к различающимся по физико-географическим условиям частям Башкортостана. В частности, оба гаплотипа встречаются как в равнинном Башкирском Пред-уралье, так и в горно-лесном западном макросклоне Уральского хребта.

Большинство выборок включали только десять деревьев. Чтобы уменьшить ве-

роятность влияния объёма выборки на число выявляемых гаплотипов, нами использованы следующие подходы. В географически изолированной Баймакской популяции (выборка Kus) в анализ включены все обнаруженные растения - материнские деревья и подрост (50 образцов). Число образцов увеличено и в Бирской популяции (Brsk). На территории Архангельского района (отобраны 40 образцов) изучены три естественных насаждения, расположенные в разных лесорастительных условиях (пойма реки, сильно инсолиро-ванный горный склон со слабо развитым почвенным покровом, кленово-липовая дубрава с плодородной почвой). Образцы отобраны также в лесных культурах на территории района, для создания которых жёлуди обычно собираются с большого числа семенных деревьев. Но эти попытки увеличения генетической базы не привели к обнаружению полиморфизма митохондриальной ДНК в упомянутых популяциях по исследованным SNPs.

Географическое распределение митохондриальных гаплотипов популяций дуба черешчатого с альтернативными гаплотипами на карте-схеме Республики Башкортостан Geographical distribution of the mitochondrial haplotypes in oak populations with alternative haplotypes on the schematic map of the Republic of Bashkortostan

В большинстве популяций дуба черешчатого встречался только один из гаплотипов. Исключением является выборка № 10 (Bur2), представляющая вторую дубраву из Бураевского района Башкирского Предуралья (см. рис.). Среди исследованных десяти деревьев одно являлось носителем альтернативного гаплотипа, характерного для популяций, расположенных южнее этой части региона. Возможно,

здесь проходила зона контакта дубрав с разными гаплотипами. В пользу этой версии интерпретации свидетельствует обнаружение нами западнее около 100 км на территории Республики Татарстан популяции с «южным» и «северным» митотипами с частотами 0,63 и 0,37, соответственно. Об увеличении генетической изменчивости популяций по направлению к западу сообщалось и по данным исследования ге-

нетической изменчивости хлоропластной ДНК [2].

Для обсуждения выявленной нами картины географического размещения альтернативных митохондриальных гаплоти-пов на Южном Урале можно обратиться к результатам исследования [2]. В нём представлены данные по географическому распределению 13 гаплотипов хлоропластного генома дуба черешчатого из 42 популяций Беларуси, Польши, России и Украины. Часть российских образцов отобрана на Уфимском плато (выборка Чандар), севернее Месягутовской лесостепи (Нижнеир-гинская, Поташка) и на южной части меридионально расположенного западного макросклона южноуральских гор (Зилаир, Малиновка, Юмагузино). Как и в нашем случае, на севере Южного Урала и на южных отрогах Уральских гор были обнаружены два альтернативных «восточных» гаплотипа. Наиболее обоснованным объяснением этого феномена, подтверждённого информацией по двум разным геномам, является колонизация этой части ареала широколиственной растительностью из разных южноуральских ледниковых убежищ или проникновение митотипов из ре-фугиумов Поволжья.

Генетическое разнообразие почти всех изученных в данной работе популяций ранее оценено нами с использованием набора 412 SNPs локусов ядерной ДНК [7]. Однако, в отличие от данных по митохондриальной ДНК, столь чёткая географическая структурированность генотипов на Южном Урале по ядерным генетическим маркерам не наблюдалась. Межпопуляционная генетическая подразделённость была выражена сравнительно слабо (Fst = 0,054), хотя связь между географическими и генетическими расстояниями была статистически достоверной. Причиной различий двух типов генетических маркеров могут быть разные типы наследования этих геномов -митохондриального (материнского) и ядерного (по отцовской линии) [8]. Как следствие, возможности для межпопуляционного обмена генами этой органеллы ограничены из-за невысокой дальности рас-

пространения желудей от родительских деревьев - единственной возможности потока генов митохондрий. Эффективный размер популяции по генам ядерной ДНК с отцовским наследованием существенно больше [2] из-за генетически реализуемого потока пыльцы на дальние расстояния, доходящего до многих десятков километров [9]. По этой причине прошлая генетическая дифференциация популяций, возникшая в ходе колонизации территории Южного Урала из разных локальных рефуги-умов, в последних поколениях может размываться, что ведёт к формированию единого генофонда по генам ДНК ядра.

Существующее лесосеменное районирование дуба черешчатого (Приказ Рос-лесхоза от 08.10.2015 N 353 в ред. от 28.03.2016) подразделяет дубравы на территории Башкортостана на районы 1 (охватывающий, за двумя исключениями, шесть административных районов севера региона) и 2 (остальные 46 районов). Полученные нами результаты показывают необходимость оптимизации этой системы - граница между группами популяций проходит, по нашим данным, также в долготном направлении, но намного южнее, на 100-150 км. Эти данные позволяют точнее определить зону стыка дубрав республики с разными гаплотипами и расширить территорию лесосеменного района 1 за счёт включения в неё нескольких административных районов северо-западного и центрального Башкортостана. Кроме того, определённая нами генетическая структура популяций дуба черешчатого может быть использована в судебно-ботанической экспертизе - выявлении источника происхождения древесины.

Выводы

1. На Южном Урале популяции дуба черешчатого по альтернативным гаплоти-пам митохондриальной ДНК подразделены на «северную» и «южную» группы с дубравами в зоне контакта, содержащими оба митотипа.

2. Полученные результаты о генетической подразделённости дубрав Башкортостана подтверждаются данными других

исследователей по генетической изменчивости хлоропластной ДНК, что может свидетельствовать о параллельной эволюции хлоропластного и митохондриального геномов дуба черешчатого на Южном Урале в ходе колонизации видом территории в послеледниковый период.

3. Выявленная на Южном Урале генетическая структура популяций дуба черешчатого требует учёта при разработке нового лесосеменного районирования вида в Башкортостане, а также может быть использована для решения других проблем ведения лесного хозяйства в дубравах региона.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Chloroplast DNA variation in European white oaks - phylogeography and patterns of diversity based on data from over 2600 populations / R. J. Petit,

U. M. Csaikl, S. Bordacs et al. // Forest Ecology and Management. 2002. Vol. 156. Iss. 1-3. Pp. 5-26. DOI: 10.1016/S0378-1127(01)00645-4

2. Semerikova S.A., Isakov I.Yu., Semerikov V.L.

Chloroplast DNA Variation and phylogeography of pedunculate oak Quercus robur L. in the eastern part of the range // Russian Journal of Genetics. 2021. Vol. 57. No. 1. Pp. 47-60. DOI: 10.1134/S10-

22795421010130

3. Applying targeted genotyping by sequencing

with a new set of nuclear and plastid SNP and indel loci for Quercus robur and Quercus petraea / B. Degen, C. Blanc-Jolivet, S. Bakhtina et al. // Conservation Genetics Resources. 2021. Vol. 13. Iss. 3. Pp. 345-347. DOI: 10.1007/s12686-021-01207-6;

EDN: WSTAEM

4. Царалунга В. В., Фурменкова Е. С., Крюко-

ва А. А. Внешние признаки патологии дуба черешчатого: монография. Воронеж: ФГБОУ ВО

«ВГЛТУ», 2015. 231 с. EDN: UYEYKH

5. Попов Г. В. Леса Башкирии (их прошлое, настоящее и будущее). Уфа: Башкирское кн. изд-во, 1980. 144 с.

6. Quantifying the effect of persistent dryer climates on forest productivity and implications for forest planning: a case study in northern Germany / M. Albert, R-V. Nagel, J. Sutmoller et al. // Forest Ecosystems. 2018. Vol. 5 Art. 33. DOI: 10.1186/s40663-018-0152-0

7. When does habitat fragmentation lead to changes in populations gene pool of pedunculate oak (Quercus robur L.)? / B. Degen, Y. Yanbaev, R. Ianbaev et al. // Forest Ecology and Management. 2021. Vol. 499. Art. 119617. DOI: 10.1016/j.foreco.2021.119617; EDN: FVJDQE

8. Dumolin-Lapegue S., Pemonge M. H., Petit R. J. Association Between Chloroplast and Mitochondrial Lineages in Oaks // Molecular biology and evolution. 1998. Vol. 15. Iss. 10. Pp. 1321-1331. DOI: 10.1093/oxfordjournals.molbev.a025860

9. Bushbom J., Yanbaev Y., Degen B. Efficient long-distance gene flow into an isolated relict oak stand // Journal of Heredity. 2011. Vol. 102. Iss. 4. Pp. 464-472. DOI: 10.1093/jhered/esr023; EDN: OHZIWX

Статья поступила в редакцию 10.11.2023; одобрена после рецензирования 27.11.2023;

принята к публикации 06.12.2023

Информация об авторах

ЯНБАЕВ Руслан Юлаевич - кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник лаборатории генетических ресурсов, Башкирский государственный аграрный университет. Область научных интересов - молекулярная генетика лесных древесных растений. Автор 52 научных публикаций. OrCiD: https://orcid.org/0000-0002-4538-6643; SPIN-код: 5381-5425

БАХТИНА Светлана Юрьевна - ведущий инженер научно-образовательного центра, Башкирский государственный аграрный университет. Область научных интересов - экология лесных древесных растений. Автор 35 научных публикаций. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7593-855X; SPIN-код: 8645-5938

САДЫКОВ Айдар Харисович - инженер научно-образовательного центра, Башкирский государственный аграрный университет. Область научных интересов - экология лесных древесных растений. Автор пяти научных публикаций. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5907-8361

ЯНБАЕВ Юлай Аглямович - доктор биологических наук, профессор кафедры лесоводства и ландшафтного дизайна, заведующий научно-образовательным центром, Башкирский государственный аграрный университет. Область научных интересов - лесоведение, молекулярная генетика. Автор 213 научных публикаций. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1039-5344; SPIN-код: 2223-7853

РЕДЬКИНА Нина Николаевна - доктор биологических наук, профессор кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности, Уфимский университет науки и технологий. Область научных интересов - растительные ресурсы. Автор 74 научных публикаций. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3428-2440; AuthorlD: 130055

Доступность данных и материалов: наборы данных, проанализированные в ходе исследования, являются общедоступными.

Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Scientific article UDC 575.17:633.873.1 https://doi.org/10.25686/2306-2827.2023.4.22 EDN: GTQOVG

Genetic Variation of Mitochondrial DNA of Pedunculate Oak (Quercus robur L.)

in the Southern Urals

R. Y. Ianbaev1^, S. Y. Bakhtina1, A. K. Sadykov1, Y. A. Yanbaev1, N. N. Redkina2

'Bashkir State Agrarian University,

34, 50-letiya Oktyabrya St., Ufa, 450001, Russian Federation 2Ufa University of Science and Technology,

32, Zaki Validi St., Ufa, 450076, Russian Federation Ruslan.yanbaev@list.ruH

ABSTRACT

Introduction. The importance of the study is determined by the need to study the genetic variation of pedunculate oak (Quercus robur L.) populations in the Southern Urals, where the condition of the stands has been deteriorating for a long time. Recent years have seen the appearance of studies that characterize the polymorphism in the populations of the region by nuclear and chloroplast genes. However, genetic markers of the mitochondrial genome have not been used before for the purpose of detecting population variation. The aim of the study is to analyze the genetic variation of the mitochondrial DNA of the pedunculate oak in the Southern Urals and to identify the geographical dissemination of populations with different haplotypes along the eastern border of the species’ range. Objects and methods. Samples of pedunculate oak were selected in 23 natural stands and one artificial plantation of the Republic of Bashkortostan and in the adjacent territories of the Perm Krai and the Sverdlovsk Oblast. These oak forests represent the main physical-geographical areas of the region where the pedunculate oak grows. Five single-nucleotide polymorphisms from a set of genetic markers that had been previously developed using a new generation DNA sequencing technology and genotyping by sequencing were used as genetic markers. Results. For the first time, the oak forests of the Southern Urals have been found to be divided into the northern and southern groups according to the variation of mitochondrial DNA. The pedunculate oak stands of the Mesyagutovo forest-steppe area, the North-East of Bashkortostan, the northern parts of the Cis-Urals and the western macrosclope of the Ural Ridge, as well as the Ufa Plateau (Group 1) differed in haplotype from the populations located further south in the Bashkir Cis-Urals, the mountain forest zone of Bashkortostan, the Zilair Plateau and the Bashkir Trans-Urals (Group 2). A population was discovered in the contact zone of alternative mitotypes, which includes trees with both single-nucleotide polymorphisms of the mitochondrial genome. Conclusion. The obtained results on the subdivision of pedunculate oak populations growing in the Southern Urals into groups, which are clearly separated geographically, can be useful for solving the problems offorest management in the oak forests of the region. The latter include optimization of the forest-seed zoning of the species in the Republic of Bashkortostan and forensic botanical examination for identifying timber origin.

Keywords: polymorphism of populations; markers; the eastern border of the geographic range; groups of populations

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Funding: The research was supported by grant MK-3699.2022.5 from the President of the Russian Federation to young scientists.

REFERENCES

1. Petit R. J., Csaikl U. M, Bordacs S. et al. Chloroplast DNA variation in European white oaks -phylogeography and patterns of diversity based on data from over 2600 populations. Forest Ecology and Management. 2002. Vol. 156. Iss. 1-3. Pp. 5-26. DOI: 10.1016/S0378-1127(01)00645-4

2. Semerikova S. A., Isakov I. Yu., Semerikov V. L. Chloroplast DNA variation and phylogeography of pedunculate oak Quercus robur L. in the eastern part of the range. Russian Journal of Genetics. 2021. Vol. 57. No 1. Pp. 47-60. DOI: 10.1134/S1022795421010130

3. Degen B., Blanc-Jolivet C., Bakhtina S. et al.

Applying targeted genotyping by sequencing with a new set of nuclear and plastid SNP and indel loci for Quercus robur and Quercus petraea. Conservation Genetics Resources. 2021. Vol. 13. No 3. Pp. 345347. DOI: 10.1007/s12686-021-01207-6; EDN:

WSTAEM

4. Tsaralunga V. V., Furmenkova E. S., Kryukova A. A. Vneshnie priznaki patologii duba cheresh-chatogo: monografiya [External signs of pathology of the pedunculate oak: monograph]. Voronezh: Voronezh State Forest Technical University. 2015. 231 p. (in Russ.). EDN: UYEYKH

5. Popov G. V. Lesa Bashkirii (ih proshloe, nas-toyashchee i budushchee) [Forests of Bashkiria (their past, present and future)]. Ufa: Bashkir Book Publ., 1980. 144 p. (in Russ.).

6. Albert M., Nagel R-V., Sutmoller J. et al. Quantifying the effect of persistent dryer climates on forest productivity and implications for forest planning: a case study in northern Germany. Forest Ecosystems. 2018. Vol. 5. Art. 33. DOI: 10.1186/s40663-018-0152-0

7. Degen B., Yanbaev Y., Ianbaev R. et al. When does habitat fragmentation lead to changes in populations gene pool of pedunculate oak (Quercus robur L.)? Forest Ecology and Management. 2021. Vol. 499. Art. 119617. DOI: 10.1016/j.foreco.2021.119617; EDN: FVJDQE

8. Dumolin-Lapegue S., Pemonge M., Petit R. Association between chloroplast and mitochondrial lineages in oaks. Molecular biology and evolution. 1998. Vol. 15. Iss. 10. Pp. 1321-1331. DOI: 10.1093/oxfordjournals.molbev.a025860

9. Bushbom J., Yanbaev Y., Degen B. Efficient long-distance gene flow into an isolated relict oak stand. Journal of Heredity. 2011. Vol. 102. Iss. 4. Pp. 464-472. DOI: 10.1093/jhered/esr023; EDN: OHZIWX

The article was submitted 10.11.2023; approved after reviewing 27.11.2023;

accepted for publication 06.12.2023

For citation: Ianbaev R. Y., Bakhtina S. Y., Sadykov A. K., Yanbaev Y. A., Redkina N. N. Genetic Variation of Mitochondrial DNA of Pedunculate Oak (Quercus robur L.) in the Southern Urals. Vestnik of Volga State University of Technology. Ser.: Forest. Ecology. Nature Management. 2023. № 4 (60). Pp. 22-29. (In Russ.). https://doi.org/10.25686/2306-2827.2023.4.22; EDN: GTQOVG

Information about the authors

Ruslan Y. Ianbaev - Candidate of Agricultural Sciences, senior researcher at the Laboratory of Genetic Resources, Bashkir State Agrarian University. Research interests - molecular genetics of forest tree species. Author of 52 scientific publications. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4538-6643; SPIN-code: 5381-5425

Svetlana Y. Bakhtina - leading engineer of the Scientific and Educational Center, Bashkir State Agrarian University. Research interests - ecology of forest tree species. Author of 32 scientific publications. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7593-855X; SPIN-code: 8645-5938

Aidar K. Sadykov - engineer of the Scientific and Educational Center, Bashkir State Agrarian University. Research interests - ecology of forest tree species. Author of five scientific publications. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5907-8361

Yulai A. Yanbaev - Doctor of Biological Sciences, Head of the Scientific and Educational Center, Bashkir State Agrarian University; Professor of the Department of Forestry and Landscape Design. Research interests - forestry, molecular genetics. Author of 213 scientific publications. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1039-5344; SPIN-code: 2223-7853

Nina N. Redkina - Doctor of Biological Sciences, Professor of the Department of Ecology and Life Safety, Ufa University of Science and Technology. Research interests - plant resources. Author of 74 scientific publications. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3428-2440; AuthorID: 130055

Availability of data and materials: The datasets analyzed during the study are publicly available.

Contribution of the authors: All authors made an equivalent contribution to the paper preparation.

The authors declare that they have no conflict of interest.

All authors read and approved the final manuscript.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.