CC BY
8УДК 638.12:631.523.5
12 1 Рустем Абузарович Ильясов ' , Фитрат Гилмитдинович Юмагужин , Валерий
Николаевич Даниленко 2, Радик Раулович Галин 3, Татьяна Владимировна
Кононенко 1, Ильнура Нурисламовна Ганиева 1, Хюн Вук Квон 4, Венер Нуруллович
Саттаров 5, Юлай Аглямович Янбаев 1
1 Башкирский государственный аграрный университет, 450001, Уфа, ул. 50-летия Октября, д. 34.
Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, 119333, Москва, ул. Губкина,
д. 3.
ß
Государственный природный биосферный заповедник «Шульган-Таш», 453585, Республика Башкортостан, Бурзянский р-н, д Иргизлы, Заповедная ул., д.14. 4Инчхонский национальный университет, 22012, Инчхон, Ёнсу-гу, Академи-ро, 119, Республика Корея.
5 Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы, 450000, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Октябрьской революции, д. 3а.
Автор, ответственный за переписку: Ильясов Р.А., apismell@hotmail.com
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ТЕМНОЙ ЛЕСНОЙ ПЧЕЛЫ APIS MELLIFERA
MELLIFERA
Аннотация. Целью исследования является оценка в заповеднике «Шульган-Таш» и прилегающих территориях генетической структуры локальной бурзянской популяции темной лесной пчелы Apis mellifera mellifera. Была определена структура пространственного распространения митотипов локуса COI-COII мтДНК, генетического маркера, позволяющего идентифицировать пчел подвида A. m. mellifera и южные подвиды пчел. Также пространственная структура генетической изменчивости пчел в двух группах митотипов Q и PQQ была изучена с использованием девяти микросателлитных локусов ядерной ДНК. Показано, что 17,5 % исследованных семей пчел характеризовались митотипом Q южных подвидов пчел. ближайших семьях бортевых пчел на территории заповедника «Шульган-Таш».
Ключевые слова: генофонд, медоносная пчела, A. m. mellifera, генетические маркеры, митохондриальная ДНК, интрогрессивная гибридизация, пространственная генетическая структура
GENETIC RESOURCES OF THE DARK FOREST BEE APIS MELLIFERA
MELLIFERA
Rustem Abuzarovich Ilyasov 1' 2 , Fitrat Gilmitdinovich Yumaguzhin 1, Valery
2 3 1
Nikolaevich Danilenko , Radik Raulovich Galin , Tatyana Vladimirovna Kononenko , Ilnura Nurislamovna Ganieva 1, Hyun Wook Kwon 4, Vener Nurullovich Sattarov 5, Yulai Aglyamovich Yanbaev 1
1 Bashkir State Agrarian University, 450001, Russia, Ufa, 50-letiya Oktyabrya str. 34.
2 Vavilov Institute of General Genetics RAS, 119333, Russia, Moscow, Gubkina str. 3.
ß
State Natural Biosphere Reserve «Shulgan-Tash», 453585, Republic of Bashkortostan, Burzyansky district, Irgizly, Zapovednaya st., 14.
4 Incheon National University, 22012, Incheon, Yeonsu-gu, Academy-ro, 119, Republic of
Korea.
5 Bashkir State Pedagogical University named after M. Akmulla, 450000, Republic of
Bashkortostan, Ufa, st. October Revolution, 3a.
Corresponding author: Ilyasov R.A., apismell@hotmail.com
Abstract. The aim of the study is to assess the genetic structure of the local Burzyan population of the dark forest bee Apis mellifera mellifera in the Shulgan-Tash reserve and adjacent territories. The structure of the spatial distribution of mitotypes of the mtDNA COI-COII locus, a genetic marker that makes it possible to identify bees of the subspecies A. m. mellifera and southern subspecies of bees. Also, the spatial structure of the genetic variability of bees in two groups of Q and PQQ mitotypes was studied using nine microsatellite nuclear DNA loci. It was shown that 17.5% of the studied bee colonies were characterized by the Q mitotype of the southern subspecies of bees. the closest families of wild bees on the territory of the reserve "Shulgan-Tash".
Keywords: gene pool, honey bee, A. m. mellifera, genetic markers, mitochondrial DNA, introgressive hybridization, spatial genetic structure
Территория исследования расположена в Республике Башкортостан на Южном Урале, на территории заповедника «Шульган-Таш» и прилегающих территориях Национального парка «Башкирия», энтомологического заказника «Алтын солок» и Бурзянского лесхоза. Здесь, в центре A. m. mellifera пчеловодство ведется не только на пасеках, но и в дикой природе. Пчелы самостоятельно заселяют естественные дупла деревьев, борти и колоды, которые местные жители вешают на деревья. В ходе полевых работ было собрано по одной рабочей пчеле на семью как с 56 бортей и колод, так и с 93 каркасных ульев с 11 пасек в 2021 году. Все отобранные семьи пчел были географически локализованы с помощью GPS-навигатора Garmin GPSMAP 64.
Большинство исследователей пчел используют два типа молекулярно-генетических маркеров. Первый выявляет полиморфизм митохондриального локуса COI-COII мтДНК [1]. Эволюционная ветвь М (включает A. m. mellifera) представлена аплотипом PQQ, носителями варианта Q являются южные подвиды пчел Республики Башкортостан [2]. Таким образом, определение митотипов позволяет легко установить происхождение анализируемых особей. Микросателлитные локусы были выбраны в качестве второго генетического инструмента из-за их высокого уровня полиморфизма и разрешающей способности при обнаружении различий между семьями медоносных пчел [1]. ДНК выделяли из грудных мышц пчел с помощью набора «ДНК-ЭКСТРАН 2» (http://www.syntol.ru). Амплификацию ДНК локуса COI-COII мтДНК митохондриальной ДНК и девять ядерных микросателлитных локусов Ap243, 4a110, A24, A8, A43, A113, A88, Ap049 и A28 [1] проводили в Термоциклер BIORAD T100 (США) по протоколу SILEX (www.sileks.com/ru).
Большинство проанализированных пчел (142 из 168 или 82,5 %) были представлены митотипом PQQ характерного для A. m. mellifera. Они расположены в северной, западной и восточной частях изучаемой территории. Митотип Q южного подвида A. mellifera выявлен в основном на стационарных поселках и перелетных пасеках на юге изучаемой территории, а также в немногочисленных бортях и колодах заповедника «Шульгант-Таш». Это свидетельствует об интрогрессии генов южного подвида в бурзянскую популяцию в этом заповеднике, созданном для сохранения генофонда аборигенных медоносных пчел.
На основе дельты K анализ STRUCTURE показал, что наилучшее представление данных возможно при рассмотрении двух групп. В обеих группах были особи, у которых преобладал один и тот же кластер, что свидетельствует об отсутствии четкой популяционной структуры. Для группы Q наблюдалась только тенденция к наибольшему признаку примеси. В отличие от митотипов PQQ и Q, пространственные паттерны расположения особей с разным соотношением кластеров в исследуемой области не проявляются (рис. 2).
Рис. 2. Пространственное распределение средних коэффициентов принадлежности (К = 2), рассчитанное с помощью СШМРЛК на исследуемой территории на Южном Урале, на территории заповедника «Шульган-Таш» и прилегающих территориях Национального парка «Башкирия», энтомологического заказника «Алтын солок» и Бурзянского лесхоза. Расположение деревень обозначено треугольниками.
Для количественной оценки пространственного распределения с помощью программного обеспечения SGS была построена дистограмма мультилокусных генетических расстояний d0 на разных географических расстояниях. Было показано, что среднее генетическое расстояние Грегориуса между всеми парами мультилокусных генотипов, принадлежащих к данному классу геодистанций, было значимо на статистически высоком уровне (р < 0,001) на расстояниях 0-5, 5-10 и 10-15. км. Этот паттерн свидетельствует о сформированной пространственной генетической структуре Л. т. твШ/вга бурзянской популяции по микросателлитным локусам.
Почти два десятилетия назад в ядре бурзянской популяции не было обнаружено интрогрессии генов южных подвидов. На прилегающих территориях заповедника «Шульган-Таш» в ульях стационарных и перелетных пасек зарегистрированы лишь спороцидные проявления этого процесса [3]. В это время в Башкортостане соотношение местных и интродуцированных медоносных пчел было почти равным, но доля иностранных подвидов в Бурзянском районе оценивалась по локусу С01-С011 мтДНК только в 2 % [4]. Исследователи установили, что эта доля стала почти в 9 раз выше на изучаемой территории. Используя локус С01-С011 мтДНК митохондриальной ДНК, исследовательская группа выявила на частных пасеках относительно высокую встречаемость митотипа Q завезенного подвида Л. твШ/вга. Пространственно они располагались к югу от границы заповедника «Шульган-Таш» в районе местных сел и даже в бортях и колодах этой особо охраняемой территории.
Такой сдвиг границы митотипа 0 возможен через роевые семьи за пределами
заповедника за счет возможного переноса ульев кочующими пчеловодами. Несмотря на четкую пространственную структуру популяции по изменчивости митохондриальной ДНК, возможно, изучение локуса COI-COII мтДНК не выявило всех проблем генофонда бурзянской популяции темной лесной пчелы. Из-за материнской наследственности митотипы не позволяют идентифицировать генетические примеси, возникающие вследствие летающих трутней из гибридных семей. Возможно, по этой причине настоящее исследование выявило генетическую гетерогенность по микросателлитным локусам в субпопуляции с митотипом PQQ типичной темной лесной пчелы. Высокий уровень примеси, показанный анализом STRUCTURE в обеих группах митотипов, свидетельствует о высоком уровне интрогрессивной гибридизации в регионе. В то же время результаты по микросателлитным локусам неоднозначны в выявлении влияния завезенных южных подвидов пчел на локальный генофонд бурзянской популяции темной лесной пчелы.
Кодоминантность микросателлитных локусов теоретически позволяет идентифицировать гетерозиготы, указывающие на процессы гибридизации. Тем не менее наблюдаемая гетерозиготность была выше в субпопуляции с митотипом PQQ, чем в семьях с признаками интрогрессии генов пчел южных подвидов. Также необходимо понять причины положительной пространственно-генетической структуры бурзянской популяции на 0-15 км. Плотность бортей и колод заповедника «Шульган-Таш» относительно невелика и колеблется от 0,001 до 0,01-0,03 на 1 га [5]. Возможно, это расстояние является хорошим барьером для трутней и роевых семей, летящих с пасек с относительно высокой концентрацией гибридных пчел. Относительно четкая граница распространения семей пчел с признаками интрогрессии генов южных подвидов в совокупности с резким снижением плотности бурзянской популяции снижает возможности генетического обмена между этими субпопуляциями и может быть возможной причиной выявленной положительной корреляции.
Выявлено наличие значительных различий в генетическом разнообразии и генетической дифференциации между группами с митотипами PQQ и Q по нескольким микросателлитным локусам. Эти генетические маркеры представляют интерес для дальнейшего сравнительного изучения с целью характеристики генофондов разных подвидов пчел в зонах их гибридизации. Особый интерес представляют большие наборы генетических маркеров, разработанных с использованием технологий секвенирования ДНК следующего поколения [6], которые оказались очень эффективными для выявления гибридизации и идентификации семей A. m. mellifera [4]. Комбинированный анализ микросателлитных локусов и SNP с исследованиями генетических маркеров митохондриальной ДНК представляется эффективным подходом, так как позволяет выявить интрогрессивную гибридизацию медоносных пчел разных подвидов [7, 8]. Дополнительное исследование ранее изученной бурзянской популяции A. m. mellifera с использованием комбинации двух хорошо зарекомендовавших себя методов и надежных генетических маркеров митохондриальной и ядерной ДНК [1, 2, 3] повышает сопоставимость и достоверность полученных результатов, а также компенсирует ограничения данного исследования по количеству выборок и относительно небольшой площади исследования.
Благодарности
Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) (Грант №. 19-54-70002 е-Азия_т).
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Ilyasov R. A., Lee M.-L., Yunusbaev U. B., Nikolenko A. G., Kwon H.-W. Estimation of C-derived introgression into A. m. mellifera colonies in the Russian Urals using microsatellite genotyping // Genes and Genomics. - 2020. - T. 42, № 9. - C. 987-996. https://doi.org/10.1007/s13258-020-00966-0.
2. Ильясов Р. А., Поскряков А. В., Петухов А. В., Николенко А. Г. Локальные популяции Apis mellifera mellifera L. на Урале // Генетика. - 2007. - T. 43, № 6. - C. 855-858. https://doi.org/10.1134/S1022795407060166.
3. Ильясов Р. А. Темная лесная пчела Apis mellifera mellifera L. Республики Башкортостан. / Ильясов Р. А., Николенко А. Г., Сайфуллина Н. М.; Под ред. Ильясов Р. А. и др. - Уфа: Гилем, Башкирская энциклопедия, 2015. - 308 с. ISBN: 978-5-88185-264-1.
4. Николенко А. Г., Поскряков А. В. Полиморфизм локуса COI-COII митохондриальной ДНК Apis mellifera L. на Южном Урале // Генетика. - 2002. - T. 38. - C. 458-462.
5. Sultanova R., Gabitov I. I., Yanbaev Y. A., Yumaguzhin F. G., Martynova M. V., Chudov I. V., Tuktarov V. R. Forest melliferous resources as a sustainable development factor of beekeeping // Israel Journal of Ecology & Evolution. - 2019. - T. 65, № 3-4. - C. 77-84. https://doi .org/10.1163/22244662-20191049.
6. Jensen A. B., Palmer K. A., Boomsma J. J., Pedersen B. V. Varying degrees of Apis mellifera ligustica introgression in protected populations of the black honeybee, Apis mellifera mellifera, in northwest Europe // Molecular Ecology. - 2005. - T. 14, № 1. - C. 93-106. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2004.02399.x.
7. Meixner M. D., Costa C., Kryger P., Hatjina F., Bouga M., Ivanova E., Buchler R. Conserving diversity and vitality for honey bee breeding // Journal of Apicultural Research. - 2010.
- T. 49. - C. 85-92. https://doi.org/10.3896/IBRA.1.49.1.12.
8. De la Rúa P., Jaffé R., Dall'Olio R., Muñoz I., Serrano J. Biodiversity, conservation and current threats to European honeybees // Apidologie. - 2009. - T. 40, № 3. - C. 263-284. https://doi.org/10.1051/apido/2009027.
REFERENCES
1. Ilyasov R. A., Lee M.-L., Yunusbaev U. B., Nikolenko A. G., Kwon H.-W. Estimation of C-derived introgression into A. m. mellifera colonies in the Russian Urals using microsatellite genotyping // Genes and Genomics. - 2020. - T. 42, № 9. - C. 987-996. https://doi.org/10.1007/s13258-020-00966-0.
2. IFyasov R. A., Poskryakov A. V., Petuxov A. V., Nikolenko A. G. LokaFny'e populyacii Apis mellifera mellifera L. na Urale // Genetika. - 2007. - T. 43, № 6. - C. 855-858. https://doi.org/10.1134/S1022795407060166.
3. ITyasov R. A. Temnaya lesnaya pchela Apis mellifera mellifera L. Respubliki Bashkortostan. / IFyasov R. A., Nikolenko A. G., Sajfullina N. M.; Pod red. ITyasov R. A. i dr. -Ufa: Gilem, Bashkirskaya enciklopediya, 2015. - 308 s. ISBN: 978-5-88185-264-1.
4. Nikolenko A. G., Poskryakov A. V. Polimorfizm lokusa COI-COII mitoxondrial noj DNK Apis mellifera L. na Yuzhnom Urale // Genetika. - 2002. - T. 38. - C. 458-462.
5. Sultanova R., Gabitov I. I., Yanbaev Y. A., Yumaguzhin F. G., Martynova M. V., Chudov I. V., Tuktarov V. R. Forest melliferous resources as a sustainable development factor of beekeeping // Israel Journal of Ecology & Evolution. - 2019. - T. 65, № 3-4. - C. 77-84. https://doi .org/10.1163/22244662-20191049.
6. Jensen A. B., Palmer K. A., Boomsma J. J., Pedersen B. V. Varying degrees of Apis mellifera ligustica introgression in protected populations of the black honeybee, Apis mellifera mellifera, in northwest Europe // Molecular Ecology. - 2005. - T. 14, № 1. - C. 93-106. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2004.02399.x.
7. Meixner M. D., Costa C., Kryger P., Hatjina F., Bouga M., Ivanova E., Buchler R. Conserving diversity and vitality for honey bee breeding // Journal of Apicultural Research. - 2010.
- T. 49. - C. 85-92. https://doi.org/10.3896/IBRA.1.49.1.12.
8. De la Rúa P., Jaffé R., Dall'Olio R., Muñoz I., Serrano J. Biodiversity, conservation and current threats to European honeybees // Apidologie. - 2009. - T. 40, № 3. - C. 263-284. https://doi.org/10.1051/apido/2009027.
Информация об авторах
Р.Р. Галин - заместитель директора по материально-техническому обеспечению и пчеловодству, ФГБУ «Государственный природный биосферный заповедник «Шульган-Таш», Республика Башкортостан, Бурзянский р-н, д Иргизлы, Заповедная ул., д.14, e-mail: ruz5ida@mail.ru
Ф.Г. Юмагужин - OCID 0000-0003-4422-1457, доктор биологических наук, профессор кафедры физиологии, биохимии и кормления животных, ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет», 450001, Уфа, ул. 50-летия Октября, д. 34, е-mail: fitrat63@mail.ru
Ю.А. Янбаев - ORCID 0000-0003-1039-5344, ведущий научный сотрудник лаборатории генетических ресурсов, доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет», 450001, Уфа, ул. 50-летия Октября, д. 34, е-mail: yanbaev_ua@mail.ru
Р.А. Ильясов - ORCID 0000-0003-2445-4739, ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики, доктор биологических наук, ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет», 450001, Уфа, ул. 50-летия Октября, д. 34, е-mail: apismell@mail.ru
В.Н. Даниленко - ORCID 0000-0001-5780-0621, заведующий лаборатории генетики микроорганизмов, доктор биологических наук, профессор, Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук, 119991, Москва, ул. Губкина, 3, e-mail: valerid@vigg.ru
Квон Хюн Вук - ORCID 0000-0001-9340-7974, заведующий лаборатории сенсорной нейробиологии мозга, доктор биологических наук, профессор, Инчхонский национальный университет, 22012, Инчхон, Ёнсу-гу, Академи-ро, 119, Республика Корея. E-mail: hwkwon@inu.ac.kr
И.Н. Ганиева - кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики, ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34, e-mail: ilnura78@mail.ru
Т.В. Кононенко - кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики, ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34, e-mail: alecsei168@yandex.ru
В.Н. Саттаров - ORCID: 0000-0001-6331-4398, доктор биологических наук, профессор, заведующий лаборатории химического анализа, Кафедра биоэкологии и биологического образования ФГБОУ ВО Башкирский государственный педагогический университет им. М.Акмуллы. 450008, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул. Октябрьской революции, 3-а, e-mail: wener5791@yandex.ru
Information about the authors
R.R. Galin - deputy director for logistics and beekeeping, Shulgan-Tash State Natural Biosphere Reserve, 453585, Republic of Bashkortostan, Burzyansky district, Irgizly, Zapovednaya st., 14, e-mail: ruz5ida@mail.ru
F.G.Yumaguzhin - ORCID 0000-0003-4422-1457, associate professor, professor of the department of physiology, biochemistry and animal nutrition, doctor of biological sciences, Bashkir State Agrarian University, 450001, Russia, Ufa, 50-letiya Oktyabrya str. 34, е-mail: fitrat63@mail.ru
R.A. Ilyasov - ORCID 0000-0003-2445-4739, leading researcher of the laboratory of molecular genetics, doctor of biological sciences, Bashkir State Agrarian University, 450001, Russia, Ufa, 50-letiya Oktyabrya str. 34, е-mail: apismell@mail.ru Yu. A. Yanbaev - ORCID 0000-0003-1039-5344, leading researcher of the laboratory of genetic resources, doctor of biological sciences, associate professor, professor, Bashkir State Agrarian University, 450001, Russia, Ufa, 50-letiya Oktyabrya str. 34, е-mail:
yanbaev_ua@mail.ru
V.N.Danilenko - ORCID 0000-0001-5780-0621, Head of the Laboratory of Bacterial Genetics, Doctor of Biological Sciences, Professor, Institute of General Genetics named after N.I. Vavilov Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, st. Gubkina, 3, e-mail: valerid@vigg.ru
Kwon Hyun Wook - ORCID 0000-0001-9340-7974, head of the Sensory Neurobiology and Brain-Science Laboratory PhD, doctor of biological sciences, professor, Incheon National University, 22012, Incheon, Yeonsu-gu, Academy-ro, 119, Republic of Korea. Email: hwkwon@inu.ac.kr
I.N. Ganieva - Candidate of Agricultural Sciences, Senior Researcher at the laboratory of molecular genetics, Bashkir State Agrarian University, 450001, Russia, Ufa, 50-letiya Oktyabrya str. 34, e-mail: ilnura78@mail.ru
T. V.Kononenko - Candidate of Agricultural Sciences, Senior Researcher of the laboratory of Molecular Genetics, Bashkir State Agrarian University, 450001, Russia, Ufa, 50-letiya Oktyabrya str. 34, e-mail: alecsei168@yandex.ru
V. N. Sattarov - ORCID: 0000-0001-6331-4398, Doctor of Biological Sciences, Professor, Head of the Laboratory of Chemical Analysis, Department of Bioecology and Biological Education, Bashkir State Pedagogical University. M. Akmulla. 450008, Republic of Bashkortostan, Ufa, st. October Revolution, 3-a, e-mail: wener5791@yandex.ru
