Гибридизационные процессы в рамках рода Sparganium L. подрода Xanthosparganium Holmb. По данным секвенирования следующего поколения (next generation sequencing - NGS)

Беляков Евгений Александрович; Мачс Эдуард Модрисович; Михайлова Юлия Владимировна; Родионов Александр Викеньтьевич

'W) Check for updates

https://doi.org/10.17816/ecogen174 27-35

ГИБРИДИЗАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В РАМКАХ РОДА SPARGANIUM L. ПОДРОДА XANTHOSPARGANIUM HOLMB. ПО ДАННЫМ СЕКВЕНИРОВАНИЯ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ (NEXT GENERATION SEQUENCING - NGS)

1 ФГБУН «Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина» РАН, пос. Борок, Ярославская обл.;

2 ФГБОУ ВО «Череповецкий государственный университет», Череповец;

3 ФГБУН «Ботанический институт им. В.Л. Комарова» РАН, Санкт-Петербург;

4 ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет», Санкт-Петербург

Для цитирования: Беляков Е.А., Мачс Э.М., Михайлова Ю.В., Родионов А.В. Гибридизационные процессы в рамках рода Sparganium L. под-

рода Xanthosparganium Holmb. по данным секвенирования следующего поколения (Next Generation Sequencing — NGS) // Экологическая

генетика. - 2019. - Т. 17. - № 4. - С. 27-35. https://doi.org/10.17816/ecogen17427-35.

Поступила: 04.07.2019 Одобрена: 07.10.2019 Принята: 17.12.2019

Ф В работе изложены результаты сравнительного исследования внутригеномного полиморфизма транскрибируемого спейсера ITS1 гена 35S рРНК у представителей подрода Xanthosparganium рода Sparganium, полученные методом ло-кус-специфичного секвенирования следующего поколения на платформе Illumina MiSeq. Показано, что вариации риботи-пов изученных образцов, в целом, соответствуют делению рода на три секции — Erecta (подрод Sparganium), Natantia и Minima (подрод Xanthosparganium). Высокий уровень внутригеномного полимофизма выявлен у S. hyperboreum, ри-ботипы которого были распределены по нескольким группам. В геноме этого вида присутствуют риботипы, характерные для других видов подрода Xanthosparganium. У двух изученных образцов S. glomeratum нами не обнаружено риботипов, сходных с таковыми у других видов секции Natantia. S. glomeratum имеет одинаковые риботипы с S. hyperboreum из секции Minima. Такая особенность может являться признаком древней межсекционной гибридизации этих двух видов. Особенности рДНК S. glomeratum говорят в пользу того, что вид может быть отнесен к секции Minima. Высказано мнение, что видообразовательные процессы в рамках рода могли происходить не только на основе гибридизации, но и ал-лопатрическим путем. Первое подтверждается наличием близких и одинаковых риботипов у S. emersum, S. * longifolium, S. gramineum и S. hyperboreum; второе, как ранее указывалось другими исследователями, кроется в близкой связи североамериканских и евроазиатских таксонов.

Ф Ключевые слова: Typhaceae; ежеголовник; геносистематика; молекулярная филогения; межвидовая гибридизация; видообразование.

THE STUDY OF HYBRIDIZATION PROCESSES WITHIN GENUS SPARGANIUM L. SUBGENUS XANTHOSPARGANIUM HOLMB. BASED ON DATA OF NEXT GENERATION

SEQUENCING (NGS)

1 Papanin Institute for Biology of Inner Waters, RAS, pos. Borok, Yaroslavl Region, Russia;

2 Cherepovets State University, Cherepovets, Russia;

3 Komarov Botanical Institute RAS, Saint Petersburg, Russia;

4 St. Petersburg State University, Saint Petersburg, Russia

Cite this article as: Belyakov EA, Machs EM, Mikhailova YuV, Rodionov AV The study of hybridization processes within genus Sparganium L. subgenus Xanthosparganium Holmb. based on

data of Next Generation Sequencing (NGS).

Ecological genetics. 2019;17(4):27-35. https://doi.org/l0.17816/ecogen17427-35.

Received: 04.07.2019 Revised: 07.10.2019 Accepted: 17.12.2019

& The study represents the results of research of intragenic polymorphism in transcribed spacer ITS1 of the 35S rRNA genes in representatives of subgenus Xanthosparganium genus Sparganium which were obtained by means of locus-specific next generation sequencing on the platform Illumina MiSeq. It was shown that ribotype variations in studied samples generally correspond to the division of this genus into three sections — Erecta (subgenus Sparganium), Natantia and Minima (subgenus Xanthosparganium). High level of intragenic polymorphism was revealed in S. hyperboreum, with ribotypes distributed among several groups. Genome of this species includes ribotypes which are typical for other species in subgenus Xanthosparganium. For two investigated S. glomeratum samples, there were no ribotypes similar to such ribotypes in other species of Natantia section. S. glomeratum has got ribotypes identical with S. hyperboreum of Minima section. This feature may be the evidence of ancient intersectional hybridization of these two species. Characteristics of rDNA in S. glomeratum are in favor

of putting this species into Minima section. It was suggested that speciation processes within the genus could be based not only on hybridization but also went on in allopatric way. The fist statement is supported by the presence of similar and identical ribotypes in S. emersum, S. * longifolium, S. gramineum and S. hyperboreum, the second - as it was mentioned by other researchers, is due to close relationship between North American and Eurasian taxa.

& Keywords: Typhaceae; bur-reed; gene systematics; molecular phylogeny; interspecific hybridization; speciation.

ВВЕДЕНИЕ

Явления межвидовой и межродовой гибридизации в последнее время рассматриваются как эффективный путь к освоению новых экологических ниш и видообразованию у сосудистых растений [1—4]. Среди 37 тыс. видов флоры Европы, Северной Америки и части Австралии, относящихся к 3212 родам 282 семейств сосудистых растений, виды, морфология которых позволяет предполагать их гибридное происхождение, были отмечены в 40 % семейств и 16 % родов со средней частотой 9 видов гибридогенного происхождения на 100 видов негибридного происхождения [5]. В частности, среди водных и прибрежно-водных растений гибриды отмечены в составе родов Potamogeton L. [6—9], Nuphar Smith [10], Nymphaea L. [11, 12], Carex L. [13-15], Ranunculus L. [16, 17], Typha L. [18, 19]. Большой интерес как объект исследования, с этой точки зрения, вызывает род Sparganium L. (ежеголовник), относящийся к сестринскому для Poaceae семейству Typhaceae [20-24].

Геном Sparganium один из наименьших геномов среди сосудистых растений — 1С = 490 млн п. н. [25]. Заметим, что в отличие от злаков, у которых вследствие недавних актов полиплоидизации и вторичной диплои-дизации происходило неоднократное изменение числа хромосом в геноме [26, 27], у разных видов ежеголовников, число хромосом стабильно — 2n = 30 [28, 29], то есть средний размер хромосомы у ежеголовников 32 млн п. н. — в 4 раза меньше чем, например, у человека.

В кариотипе Sparganium две пары ядрышкообразу-ющих хромосом [30]. Относительно высокое число хромосом в кариотипе (x = 15) позволяет предположить, что все представители рода полиплоиды, вероятно, алло-тетраплоиды [31]. Имеющиеся данные позволяют предполагать распространение в роде ежеголовник межвидовой гибридизации, способствующей созданию новых генотипов и фенотипов, позволяющих растениям занимать определенные экологические ниши в разнотипных водоемах в широком спектре природно-климатических зон. Так, Y. Ito et al. [23] путем сравнения топологии молекулярно-филогенетических древ, построенных на основании вариаций последовательностей генов хлоро-пластной ДНК и ядерного гена фитохрома С (phyC), показали существование целого ряда комбинаций гибридов — S. angustifolium * S. emersum (S. engleranum Asch. et Graebn.), S. hyperboreum * S. natans, S. acaule * S. fluctuans и S. fallax * S. japonicum. По-видимо-

му, гибриды ежеголовников — гомоплоидные гибриды, сохраняющие уровень плоидности, характерный для родительских видов. Такой тип гибридизации, сопровождающийся, как правило, включением некоторой части генов одного родительского вида в геном другого, назван интрогрессивной гибридизацией [32].

Нами проведен сравнительный анализ внутриге-номного полиморфизма в подроде Xanthosparganium Holmb. рода Sparganium и поиск следов гибридизаци-онных процессов у родственных видов рода путем ло-кус-специфичного секвенирования транскрибируемого спейсера (targeted sequencing — ITS 1 ) многократно повторенных в геноме генов 35S рРНК, кодирующих последовательности 18S, 5.8S и 26S рРНК большой и малой субъединиц рибосом. У растений эти последовательности транскрибируются в виде одной транскрипционной единицы, молекулярная масса транскрипта около 35S (у животных 45S) [33]. В каждом ядрышко-вом организаторе (ЯОР) может быть несколько тысяч генов 35S рРНК [34, 35]. Исследование гомоплоидных гибридов и аллополиплоидов показало, что в их геноме в течение многих поколений могут сохраняться гены 35S рРНК, полученные от предков. Их секвенирование позволяет выявлять события межвидовой гибридизации в недавней истории вида [36, 37], что и было целью нашей работы.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В связи с вероятным гибридным происхождением видов, мы исследовали внутригеномный полиморфизм маркерного участка ядерного генома (первого транскрибируемого спейсера ITS1 гена 35S рРНК) методом локус-специфичного секвенирования района ITS1 на секвенаторе Illumina MiSeq. Выбор именно района ITS1 в качестве маркера обусловлен тем, что в ряде случаев изогенизация рДНК происходит не полностью и гибриды сохраняют в своем геноме родительские последовательности (например, [38]). Успешное исследование гибридного происхождения с помощью пиросек-венирования района ITS1 было ранее проведено для орхидей [39].

Выделение геномной ДНК производилось как описано в [40], далее образцы ДНК передавались в ЦКП ВНИИСХМ для подготовки библиотек и секвениро-вания.

Первичные данные секвенирования следующего поколения (next generation sequencing (NGS)) обрабатывались при помощи стандартных инструментов: про-

грамм FastQC [41], Trimmomatic [42] и Fastq-join [43]. Для дальнейшей фильтрации данных использовали: кон-сенсусную фильтрацию гаплотипов, подсчет соответствующих частот встречаемости гаплотипов, сортировку в порядке уменьшения частоты встречаемости гапло-типов (одинаковые гаплотипы представлены в дальнейшем анализе одной копией, но с указанием частоты повторения), исключение из анализа единичных и редких гаплотипов, безреференсное выравнивание и фильтрацию контаминантов по базе данных ГенБанка (BLAST) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/.

Данные NGS о внутригеномных пулах последовательностей ITS1 были получены нами для следующих гербар-ных образцов Sparganium: S. emersum Rehm. (образец № 55 — Россия, Тверская обл., Андреапольский р-н, оз. Паршинское в окрестностях д. Паршино и пос. Бо-логово, 14.VIII.2016 г., собр.: Е.А. Беляков, Э.В. Гарин, в коллекции Е.А. Белякова; № 56 — Респ. Беларусь, Минская обл., Мядельский р-н, р. Страча, Заказник «Голубые озера», 23.VI.2016 г., собр.: Е.А. Беляков, Э.В. Гарин, А.Г. Лапиров, в коллекции Е.А. Белякова; № 59 — Россия, Нижегородская обл., Арзамасский р-н, окр. с. Старая Пустынь, в протоке между оз. Долгое и Паровое, 14.VIII.2014 г., собр.: Е.А. Беляков, в коллекции Е.А. Белякова), S. gramineum Georgi (образец № 61 — Тюменская обл., Сургутский р-н, в 10 км. от с. п. Угут, оз. Екипомыхлор (Киня-минское), мелководье у берега, 28.VII.2000 г., собр.: А.С. Байкалова, LE), S. glomeratum (Laest. ex Beurl.) Neuman (образец № 52 — Россия, Ярославская обл., Пошехонский р-н, окрестности д. Голодяйка, в лесной канаве, 10.IX.2016 г., собр.: Е.А. Беляков, в коллекции Е.А. Белякова; № 58 — Россия, Вологодская обл., Череповецкий р-н, Дарвинский заповедник, окр. д. Мура-вьево, ручей, приток р. Чимсоры, 01.VIII.1997 г. собр.: А.А. Бобров, IBIW), S. hyperboreum Laest. (образец № 51 — Россия, Тюменская обл., Тазовский р-н, окр. п. Тазовский, в обводненном придорожном понижении, 01.VIII.2015 г., собр.: С.А. Николаенко, в коллекции Е.А. Белякова; № 53 — то же, проросшее из семян растение; № 57 — Россия, Респ. Коми, Ижем-ский р-н, в 76 км от с. Ижма, путепровод Б. Ижма, в 2,5 км ниже, 02.VIII.1979 г., собр.: З.Г. Улле, в коллекции Е.А. Белякова), S. microcarpum (Neum.) Domin (образец № 60 — Респ. Беларусь, Минская обл., Мядельский р-н, р. Страча, Заказник «Голубые озера», 23.VII.2016 г., собр.: Е.А. Беляков, Э.В. Гарин, А.Г. Ла-пиров, в коллекции Е.А. Белякова) и одном гибриде S. х longifolium Turcz. ex Ledeb. (образец № 62 — Россия, Ярославская обл., Ростовский р-н., мелководье оз. Чашницкое в окр. д. Чашницы, 16.VIII.2016 г., собр.: Е.А. Беляков, в коллекции Е.А. Белякова).

Всего нами были получены данные для пяти видов и одного гибрида. Кроме того, для сравнительного анализа из базы данных GenBank [41] были взяты последо-

вательности следующих видов: S. emersum (KF265393), S. glomeratum (KF265386), S. gramineum (KF265381), S. fluctuans (KF265378), S. fallax (KF265376), S. sub-globosum (KF265397, KF265387), S. hyperboreum (KF265396), S. natans (KF265385), S. stoloniferum (KF265395) [22].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Полученные нами результаты показывают, что рибо-типы изученных образцов распределены по 10 группам (см. рисунок). Группа 1 (SAE) включает в себя KF265393, аннонсированную в ГенБанке как S. emersum. Однако ри-ботип данного образца отличается от исследованного нами образца S. emersum из Респ. Беларусь на 8 нук-леотидных замен. Такое различие позволяет нам согласиться с мнением Y. Ito et al. [23], что последовательность KF265393 была секвенирована из образца, который должны были определить как S. acaule [23]. Группа 2 (SGH) образована, главным образом, рибо-типами S. glomeratum и, в меньшей степени, рибо-типами S. hyperboreum. При этом у двух образцов S. glomeratum имеются общие риботипы только с образцами S. hyperboreum. Группа 3 (SLG) включает в себя риботипы S. * longifolium и его родительского вида — S. gramineum (KF265381). Группа 4 (SFS) представлена S. fluctuans (KF265378 из ГенБанка). В самую большую группу 5 (SNA) объединены ри-ботипы S. emersum, S. glomeratum, S. gramineum и S. * longifolium, относящиеся к секции Natantia. Далее следуют две группы риботипов, выделенные на базе образцов из ГенБанка: группа 6 (SFX) — представлена риботипом S. fallax (KF265376); группа 7 (SSM) — риботипом S. subglobosum (KF265397, KF265387). Группа 8 (SNH) образована как риботипами S. natans (KF265385) и S. hyperboreum (KF265396), так и полученными нами риботипами из образцов S. hyperboreum из Тюменской обл. и Респ. Коми. Группа 10 (SHM) несет риботипы, характерные только для S. hyperboreum. Отметим, что группы 8 и 10 отличаются характерными информативными нуклеотидными заменами по 20 несовпадающим позициям. Группа 9 (SMH) включает в себя риботипы представителей секции Erecta (S. stoloniferum (KF265395) и S. microcarpum из Респ. Беларусь). Здесь же отмечено наличие редко встречающихся рибо-типов S. hyperboreum.

По данным сравнительного анализа внутригеномно-го полиморфизма участка ITS1, S. hyperboreum сохранил в своем геноме следы гибридизационных процессов с S. glomeratum. Наличие одинаковых риботипов у S. glomeratum и S. hyperboreum может указывать на то, что эти два вида близки и включены лишь в редкие события интрогресссивной гибридизации. Напротив, у S. emersum, S. * longifolium, S. gramineum и S. hyperboreum имеется много близких и одинаковых риботипов.

• S. hyperboreum A. S. glomeratum

♦ 5. emersum

O S. microcarpum

□ -S. gramlneum O S. longifolium

Sparganium emersum KF265393 — Sparganium glomeratum KF265386 60jAS-E52 I-AE-ES2 _ A C-E52 -AD-E52 • D-E53

A A-E52 Sparganium gramineum 9$j KF265381

OC-E62 - Sparganium fluctuans KF265378

♦ A-E56

• D-E57

□ A-E61

□ C-E$1

-♦ F-E56

♦ E-E56

О B-E62

Sparganium fallax KF265376

H

i Sparganium subgtobosum KF26S397 100' Sparganium subglobosum KF2S5397 Sparganium hyperboreum KF265396

Sparganium natans KF26538S

• C-E51

• C-E53 — »D-ES1

• B-E57 — • C-E57

Sparganium stoloniferum r- KF26 5395 # F-E51 OA-E60

— OD-E60

— О В-Ебй О E-E60

-О С-ЕЮ

— • F-E53

A-ES1

• B-E5Í

• В-Е53 ФЛ-Е57

— • Е-Е53

— • E-E5I

1111111111111111111111111

23344567779990001 1 1 1 1 1 2223333444445566 740425432791582361234703472469015782501

111111222222222222233 778999004445667899902 154589151796284718900

SAE Sparganium emersum KF265393 A T A G G А АТС с т с т С G G с т С Т А с т С G G ACT с G Т т т т с с G TAG А с G А А С G С Т G ТС TAGGGCC

Sparganium glomeratum KF265386 т с

B-E52 С т с G

E-E52 с G т с G

SGH C-E52 т с G

D-E52 т с G

D-E53 т с G

A-E51 т с

SLG Sparganium gramineum KF265381 т G с т Y R С с G

C-E62 т G с т с с с G G G

SFS Sparganium fluctuans №265378 G с с с

A-E56 т с с с G т G

D-E57 т с с с G т G

A-E61 т с с с G т G

C-E6J т с С с G т G

FE56 т с с с G т G

B-E61 т с с с G т G

Д-Е62 т с с с G т G

D-E56 т с С с G т G

D-E62 т с с с G т G

SNA E-E62 т с с с G т G

F-E62 т с с с G т G

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

C-E56 G т с С с G т G

D-E61 G т с с с G т G

A-E59 т с с с G Т т А G

B-E59 т т с с с G Т т А G

C-E59 т с С с т т А G

D-E59 т с с с G т т А G

B-E56 с Т т с с с G т G

E-E56 с Т G т с с с G т G

B-E62 т с с с G т

SFX Sparganium fallax KF265376 т с с с Т

SSM Sparganium subglobosum KF2d5397 с с G С с с т с А

Sparganium subgiobosum KF265387 с с G с с с т с А

Sparganium hyperboreum KF265396 С с с А Т с т с с с

Sparganium natans КИ65385 С с с А т с т с С с

C-E5Í С с с А т с т с с с G

SNH C-E53 С с с А т с т с с с G

D-E5Í С с с А т с т с с с G

B-E57 С с т с А т с т с с с G

C-E57 с с т с А т с т с с с

Sparganium stoloniferum KF265395 G С С G Т С т с т с с с С А А с с А

F-E51 G С С G Т С Т С т с с с С А А с с А А G

A-E60 G С С G Т С Т С т с с с С А А с с А А G

SMH D-E60 С G С с G Т С т с т с с с с А А с с А А G

В-Е60 G С с G Т С т с т с с с с А А с с А А

Е-Е60 G С с G Т С Т С т с с с с А А с с А G

С-Е60 G С с G G С Т С т с с с с А с с А G

F-E53 А С с АТС т с А с A G

А-Е51 Т А С с А Т А Т с Т с А с А А G т G Т Т А А TAG

А-Е53 Т А С с А Т А Т с Т с А с А А G т G Т Т А А TAG

S-E5I Т А С с А Т А Т с А Т с с А А G т G Т Т А А TAG

SHM В-Е53 Т А С с А Т А Т с А т с с А А G т G т Т А А TAG

А-Е5Т Т А С с А Т А Т с А т с с А А G т G т Т А А TAG

Е-Е53 Т А С с А Т А Т с А т с с А А G т G т Т А А TAG

E-E5Í Т А С с А Т А Т с А т с с А А G т G т Т А А TAG

Рис. Молекулярно-филогенетический анализ и риботипы ITS1 в пределах рода Sparganium подрода Xanthosparganium поданным NGS. Молекулярно-филогенети-ческий анализ был выполнен методом максимального правдоподобия на основе модели Тамуры — Нея [51 ]. Представлено дерево с наибольшим логарифмическим правдоподобием (-1211.06). Процент деревьев, в которых связанные таксоны сгруппированы вместе, показан в узлах ветвления. Исходные деревья для эвристического поиска были получены на основе алгоритмов Neighbor-Join и BioNJ по матрице попарных расстояний, оцененных по максимальному составному правдоподобию с последующим выбором топологии с наиболее высоким значением логарифмического правдоподобия. Дерево построено в масштабе, длина ветвей измеряется числом замен на сайт. В анализе использованы 56 нуклеотидных последовательностей. Всего в итоговом наборе данных было 339 позиций. Эволюционный анализ был проведен в MEGA7 [52]. Первая буква ( A—F) в названии риботипа соответствует уменьшению частоты встречаемости ( А — самая высокая)

Наиболее отдален от всех изученных образцов S. micro-carpum. В эту же группу входит образец S. stoloniferum из ГенБанка. Оба вида входят в состав подрода Sparganium. Заметим, что в данную группу также попали и единичные риботипы S. hyperboreum (образец № Е51 из Тюменской обл.).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В нестабильных климатических условиях олигоцена и последующих геологических эпох степень устойчивости ежеголовников к похолоданию и значительным температурным колебаниям возрастала, что не могло не способствовать расширению ареала отдельных видов. На этом фоне, перекрытие ареалов таксонов и различные критические ситуации, коими явились периодические климатические изменения и антропогенная трансформация биотопов, могли вызывать спонтанную гибридизацию видов [44-56]. Именно гибридные растения, занимающие по своим признакам (например, по характеру и структуре эндокарпов [47-48]) промежуточное положение, возможно, в первых поколениях гетерозисные, высокополиморфные по геному и фенотипу, имели шанс адаптироваться к новым экологическим условиям.

Как показало наше исследование, наличие близких и одинаковых риботипов в группе S. emersum, S. * longifolium, S. gramineum и S. hyperboreum указывает на наличие гибридизации в рамках секции Natantia подрода Xanthosparganium. Вывод о гибридном происхождении S. * longifolium согласуется и с особенностями его морфологии — в нем сочетаются признаки S. emersum и S. gramineum [49]. Гибридизация между этими видами и случай возвратных гибридов вполне возможны, поскольку ареалы видов частично перекрываются. В данном случае, по-видимому, селективная дифференциация ведет к замещению естественных (родительских) видов путем генетической ассимиляции [50]. Кроме того, гибридизация между двумя высокоспециализированными видами может способствовать вторичной деспециализа-ции, повышающей экологическую пластичность гибрида. Примером этого утверждения может служить то, что S. * longifolium со временем вытесняет из водоема родительские виды ежеголовников, постепенно занимая их место обитания [49].

Полученная нами картина распределения гаплотипов согласуется с разделением Sparganium на два подро-да — Sparganium и Xanthosparganium. В рамках подрода Xanthosparganium хорошо поддерживаются представители секций Natantia (S. emersum, S. * longifolium, S. gramineum) и Minima (S. hyperboreum и S. natans). Однако наличие общих риботипов у исследованных образцов S. hyperboreum и S. glomeratum позволяет говорить о переносе последнего из секции Natantia в секцию Minima. Ранее принадлежность S. glomeratum к секции Natantia была обусловлена, прежде всего, габитуальным сходством (размерные характеристи-

ки, листья с выраженным килем и т. д.) этого растения со S. emersum. Отметим, что лектотипом секции Natantia является S. angustifolium Michx. [53]. Между тем, S. glomeratum имеет промежуточное положение по длине столбика (у плодика) между двумя вышеупомянутыми секциями (для примера, у S. glomeratum длина столбика 1,3 ± 0,2 мм, у S. emersum — 3,4 ± 0,6 мм, у S. hyperboreum — 0,3 ± 0,1 мм), обладает сближенными друг с другом верхними пестичными соцветиями, что нередко наблюдается у представителей секции Minima. Таким образом, перенос S. glomeratum в секцию Minima может быть обоснован как молекулярными, так и морфологическими признаками.

Наличие общих для всех исследованных видов подрода Xanthosparganium гаплотипов может свидетельствовать о распространенности гибридизации в подроде. Следует отметить, что значительный внутригеномный полиморфизм был обнаружен у S. hyperboreum, который имел общие гаплотипы с тремя другими видами секции Natantia. Наибольшее число общих гаплотипов отмечено у S. hyperboreum и S. glomeratum. При этом сам S. glomeratum имел общие гаплотипы только с S. hyperboreum. Такую картину можно объяснить ин-трогрессивной гибридизацией между этими двумя видами. Кроме того, сам S. hyperboreum может быть видом гибридного происхождения, результатом гибридизации видов из разных секций — Natantia и Minina.

Видообразование в рамках рода могло происходить не только на основе гибридизации, но и аллопатри-ческим путем. В этом отношении важную роль играет подтверждение на молекулярном уровне близкой связи между североамериканскими и евразийскими парами видов, например, такими как S. fluctuans — S. gramineum [22, 23]. Существуют и другие пары видов, интересующие современных исследователей (например, S. americanum — S. japonicum [54]), родственные связи которых пока еще недостаточно изучены по молекулярным данным [22]. Высказанная ранее точка зрения о формировании таксонов аллопатрическим путем [22, 23] подтверждается еще и тем, что в эоцене-оли-гоцене произошло объединение материковых фрагментов, приведшее к сокращению числа экологических провинций: Индостан отделился от Африки и присоединился к Азии; в мелу-палеогене (52-60-65 млн лет назад) раскололась Лавразия — Северная Америка отделилась от Гренландии, а Гренландия — от Европы, произошел раскол остатков Гондраны — разделение Антарктиды и Австралии [55]. Заметим, что подтверждение близкой связи североамериканских и евроазиатских таксонов указывает на монофилетич-ность рода Sparganium [22, 56].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, сравнительный анализ внутригеном-ного полиморфизма спейсера ITS1 по данным NGS показывает, что распределение близких гаплотипов изучен-

ных образцов соответствует делению рода Sparganium на два подрода (Sparganium и Xanthosparganium).

В рамках подрода Xanthosparganium хорошо поддерживается секция Minima. Что касается секции Natantia, то у двух изученных образцов S. glomeratum не обнаружено одинаковых гаплотипов с другими изученными образцами видов этой секции, но имеются одинаковые гаплотипы с двумя изученными образцами S. hyperboreum из секции Minima. Таким образом, S. glomeratum может быть отнесен к секции Minima.

Наличие большого числа гибридных таксонов, в том числе и межсекционных, позволяет рассматривать род Sparganium как перспективный для молекулярно-филогенетических исследований интрогрессивно-меж-видовой комплекс.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Геномные технологии, протеомика и клеточная биология» ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии» и ЦКП «Клеточные и молекулярные технологии изучения растений и грибов» Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН.

Исследование было поддержано проектом РФФИ № 18-34-00257 мол_а «Молекулярная филогения, адаптивный потенциал и особенности морфологической эволюции некоторых сосудистых растений при освоении водной среды», а также, частично, грантом РФФИ № 18-04-01040 «Пути и механизмы изменений геномов и кариотипов цветковых растений у межвидовых гибридов и гибридогенных видов».

ЛИТЕРАТУРА

1. Baack EJ, Rieseberg LH. A genomic view of intro-gression and hybrid speciation. Curr Opin Genet Dev. 2007; 17(6):513-518. https://doi.org/10.1016/j. gde.2007.09.001.

2. Soltis PS, Soltis DE. The role of hybridization in plant speciation. Annu Rev Plant Biol. 2009;60:561-588. https://doi.org/10.1146/annurev. arplant.043008.092039.

3. Носов Н.Н., Пунина Е.О., Мачс Э.М., Родионов А.В. Межвидовая гибридизация в происхождении видов растений на примере рода Poa sensu lato // Успехи современной биологии. — 2015. — Т. 135. — № 1. — С. 21-39. [Nosov NN, Punina EO, Machs EM, Ro-dionov AV. Interspecies hybridization in the origin of plant species: cases in the genus Poa sensu lato. Biology Bulletin Reviews. 2015;5(4):366-382.] https:// doi.org/10.1134/S2079086415040088.

4. Родионов А.В., Амосова А.В., Беляков Е.А., и др. Генетические последствия межвидовой гибридизации, ее роль в видообразовании и фенотипическом разнообразии растений // Генетика. - 2019. - Т. 55. -№ 3. - С. 255-272. https://doi.org/10.1134/ S0016675819030159. [Rodionov AV, Amosova AV, Be-

lyakov EA, et al. Genetic consequences of interspecific hybridization, its role in speciation and phenotypic diversity of plants. Russian Journal of Genetics. 2019;55(3): 278-294.] doi: 10.1134/S1022795419030141.

5. Whitney KD, Ahern JR, Campbell LG, et al. Patterns of hybridization in plants. Perspect Plant Ecol Evol Syst. 2010;12(3):175-182. https://doi.org/l0.1016/j. ppees.2010.02.002.

6. Kaplan Z, Fehrer J. Molecular identification of hybrids from a former hot spot of Potamogeton hybrid diversity. Aquat Bot. 2013;105:34-40. https://doi. org/10.1016/j.aquabot.2012.11.002.

7. Iida S, Kadono Y, Kosuge K. Maternal effects and ecological divergence in aquatic plants: a case study in natural reciprocal hybrids between Potamogeton perfoliatus and P. wrightii. Plant Species Biol. 2013;28(1):3-11. https://doi.org/10.1111/1442-1984.12006.

8. Ito Y, Tanaka N, Pooma R, Tanaka N. DNA barco-ding reveals a new record of Potamogeton distinctus (Potamogetonaceae) and its natural hybrids, P. dis-tinctus * P. nodosus and P. distinctus * P. wrightii (P. malainoides) from Myanmar. Biodivers Data J. 2014;2: e1073. https://doi.org/10.3897/bdj.2.e1073.

9. Yang T, Zhang TI, Guo YH, Liu X. Identification of hybrids in Potamogeton: incongruence between plas-tid and its regions solved by a novel barcoding marker PHYB. PLoS ONE. 2016;11(11): 1-12. https://doi. org/10.1371/journal.pone.0166177.

10.Arrigo N, Betrisey S, Graf L, et al. Hybridization as a threat in climate relict Nuphar pumila (Nympha-eaceae). Biodivers Conserv. 2016;25( 10): 1863-1877. https://doi.org/10.1007/s10531-016-1165-z.

11.Borsch T, Wiersema JH, Hellquist CB, et al. Specia-tion in North American water lilies: evidence for the hybrid origin of the newly discovered Canadian endemic Nymphaea loriana sp. nov. (Nymphaeaceae) in a past contact zone. Botany. 2014;92(12):867-882. https://doi.org/10.1139/cjb-2014-0060.

12. Nierbauer KU, Kanz B, Zizka G. The widespread naturalisation of Nymphaea hybrids is masking the decline of wild-type Nymphaea alba in Hesse, Germany. Flora. 2014;209(2): 122-130. https://doi.org/10.1016/j. flora.2013.12.005.

13.Wiedaw H, Koopman J. Numerical analysis of morphology of natural hybrids between Carex hostiana and the members of Carex flava agg. (Cyperaceae). Nord J Bot. 2013;31(4):464-472. https://doi.org/10.1111/ j.1756-1051.2013.00095.x.

14. Wi^daw H, Wilhelm M. Natural hybridization within the Carex flava complex (Cyperaceae) in Poland: mor-phometric studies. Ann Bot Fenn. 2014;51(3):129-147. https://doi.org/10.5735/085.053.0101.

15. Pedersen AT, Nowak MD, Brysting AK, et al. Correction: hybrid origins of Carex rostrate var. borealis and C. stenolepis, two problematic taxa in Carex section

Vesicariae (Cyperaceae). PLoS ONE. 2016;11(10): 1-18. https://doi.org/10.1371%2Fjournal.pone.0165430.

16. Zalewska-Galosz J, Jopek M, Ilnicki T. Hybridization in Batrachium group: controversial delimitation between heterophyllous Ranunculus penicillatus and the hybrid Ranunculus fluitans x R. peltatus. Aquat Bot. 2015;120:160-168. https://doi.org/10.1016/j. aquabot.2014.03.002.

17. Bobrov AA, Zalewska-Galosz J, Jopek M, Movergoz EA. Ranunculus schmalhausenii (section Batrachium, Ranunculaceae), a neglected water crowfoot endemic to Fennoscandia - a case of rapid hybrid speciation in postglacial environment of North Europe. Phytotaxa. 2015;233(2):101-138. https://doi.org/10.11646/ phytotaxa.233.2.1.

18. Ball D, Freeland J. Synchronous flowering times and asymmetrical hybridization in Typha latifolia and T. angustifolia in northeastern North America. Aquat Bot. 2013;104:224-227. https://doi.org/10.1016/j. aquabot.2012.08.006.

19. Freeland J, Ciotir C, Kirk H. Regional differences in the abundance of native, introduced, and hybrid Typha spp. in northeastern North America influence wetland invasions. Biol Invasions. 2013; 15( 12):2651-65. https:// doi.org/10.1007/s10530-013-0481-4.

20. Givnish TJ, Barfuss MH, van Ee B, et al. Phyloge-ny, adaptive radiation, and historical biogeography in Bromaliaceae: insights from an 8-locus plastid phy-logeny. Am J Bot. 2011 ;98(5):872-895. https://doi. org/10.3732/ajb.1000059.

21. Givnish TJ, Zuluaga A, Spalink D, et al. Monocot plastid phylogenomics, timeline, net rates of species diversification, the power of multi-gene analyses, and a functional model for the origin of monocots. Am J Bot. 2018;105(11): 1888-1910. https://doi.org/10.1002/ajb2.1178.

22. Sulman JD, Drew BT, Drummond C, et al. System-atics, biogeography, and character evolution of Sparganium (Typhaceae): diversification of a widespread, aquatic lineage. Am J Bot. 2013; 100( 10):2023-2039. https://doi.org/10.3732/ajb.1300048.

23. Ito Y, Tanaka N, Kim C, et al. Phylogeny of Sparganium (Typhaceae) revisited: non-monophyletic nature of S. emersum sensu lato and resurrection of S. acaule. Plant Syst Evol. 2016;302( 1 ): 129-135. https://doi. org/10.1007/s00606-015-1245-7.

24. Su T, Yang JX, Lin YG, et al. Characterization of the complete chloroplast genome of Sparganium stoloniferum (Poales: Typhaceae) and phylogenetic analysis. Mitochondrial DNA B Resour. 2019;4( 1 ): 1402-1403. https://doi.org/10.1080/23802359.2019.1598798.

25. Leitch IJ, Johnston E, Pellicer J, et al. Plant DNA C-values database. Release 7.1, April 2019. Available from: https://cvalues.science.kew.org/.

26. Родионов А.В., Ким Е.С., Пунина Е.О., и др. Эволюция хромосомных чисел в трибах Aveneae и Poeae

по данным сравнительного исследования внутренних транскрибируемых спейсеров ITS1 и ITS2 ядерных генов 45S рРНК // Ботанический журнал. — 2007. - Т. 92. - № 1. - С. 57-71. [Rodionov AV, Kim ES, Punina EO, et al. Evolution of chromosome numbers in the tribes Aveneae and Poeae inferred from the comparative analysis of the internal transcribed spacers ITS1 and ITS2 of nuclear 45S rRNA genes. Botanicheskii zhurnal. 2007;92(1):57-71. (In Russ.)]

27. Salse J. Deciphering the evolutionary interplay between subgenomes following polyploidy: a paleogenomics approach in grasses. Am J Bot. 2016;103(7):1167-1174. https://doi.org/10.3732/ajb.1500459.

28. Болховских З.В., Гриф В.Г., Захарьева О.И., Матвеева Т.С. Хромосомные числа цветковых растений. -Л.: Наука, 1969. - 926 с. [Bolkhovskikh ZV, Grif VG, Zakharyeva OI, Matveeva TS. Khromosomnyye chisla tsvetkovykh rasteniy. Leningrad: Nauka; 1969. 926 p. (In Russ.)]

29. Агапова Н.Д., Архарова К.Б., Вахтина Л.И., и др. Числа хромосом цветковых растений флоры СССР: Moraceae-Zygophyllaceae. - СПб.: Наука, 1993. -427 с. [Agapova ND, Arkharova KB, Vakhtina LI, et al. Chisla khromosom tsvetkovykh rasteniy flory SSSR: Moraceae-Zygophyllaceae. Saint Petersburg: Nauka; 1993. 427 p. (In Russ.)]

30. Kim CS, Kim SY, Meon MO. A new record for the Korean flora: Sparganium fallax Graebn. (Sparganiaceae). Korean J Plant Taxonomy. 2010;40(3): 169-173. https://doi.org/10.11110/kjpt.2010.40.3.169.

31. Goldblatt P. Polyploidy in angiosperms: monocotyledons. In: Polyploidy. Boston (MA): Springer; 1980. рр. 219-239.

32. Anderson E. Introgressive hybridization. London-New York: Hafner Publ. Co.; 1969. 109 p.

33. Seitz U, Seitz U. Molecular-weight of ribosomal-RNA precursor molecules and their processing in higherplant cells. Z Naturforsch C Biosci. 1979;34(3-4): 253-258. https://doi.org/10.1515/znc-1979-3-416.

34. Garcia S, Kovarlk A, Leitch AR, Garnatje T. Cytogenetic features of rRNA genes across land plants: analysis of the plant rDNA database. Plant J. 2017;89(5):1020-1030. https://doi.org/10.1111/tpj.13442.

35. Родионов А.В., Гнутиков A.A., Коцинян А.Р., и др. Последовательность ITS1-5.8S рДНК-ITS2 в генах 35S рРНК как маркер при реконструкции филогении злаков (сем. Poaceae) // Успехи современной биологии. -2016. - Т. 136. - № 5. - С. 419-437. [Rodionov AV, Gnutikov AA, Kotsinyan AR, et al. ITS1-5.8S rDNA-ITS2 sequence in 35S rRNA genes as marker for reconstruction of phylogeny of grasses (Poaceae family). Biology Bulletin Reviews, 2017, 7(2):85-102. (In Russ.)]. https://doi.org/10.1134/S2079086417020062.

36. Egan AN, Schlueter J, Spooner DM. Applications of next-generation sequencing in plant biology. Am J Bot.

2012;99(2):175- 185. https://doi.org/10.3732/ ajb.1200020.

37. Пунина Е.О., Мачс Э.М., Крапивская Е.Е., Родионов А.В. Полиморфные сайты в транскрибируемых спейсерах генов 35Sр РНК пионов как индикатор происхождения сортов // Генетика. -2017. - Т. 53. - № 2. - С. 181-191. [Punina EO, Machs EM, Krapivskaya EE, Rodionov AV. Pilymor-phic sites in transcribed spacers of 35S rRNA genes as an indicator of origin of the Paeonia cultivars. Russian Journal of Genetics. 2017;53(2):202-212.] https:// doi.org/10.1134/S1022795417010112.

38. Пунина Е.О., Мачс Э.М., Крапивская Е.Е., и др. Межвидовая гибридизация в роде Paeonia (Paeoniaceae): полиморфные сайты в транскрибируемых спейсерах генов 45S рРНК как индикаторы происхождения природных и искусственных гибридов пионов // Генетика. - 2012. - Т. 48. - № 7. -С. 812. [Punina EO, Machs EM, Krapivskaya EE, et al. Interspecific hybridization in the genus Paeonia (Paeoniaceae): polymorphic sites in transcribed spacers of the 45S rRNA genes as indicators of natural and artificial peony hybrids. Russian Journal of Genetics. 2012;48(7):684-697.] https://doi.org/10.1134/ S1022795412070113.

39. Андронова Е.В., Мачс Е.М., Филиппов Е.Г., и др. Фи-логеография таксонов рода Cyprepedium (Orchidaceae) на территории России // Ботанический журнал. -2017. - Т. 102. - № 8. - С. 1027-1059. [Androno-va EV, Machs EM, Filippov EG, et al. Phylogeogra-phy of the Genus Cyprepedium (Orchidaceae) taxa in Russia. Botanicheskii zhurnal. 2017; 102(8): 1027-1059. (In Russ.)]. https://doi.org/10.1134/ S0006813617080014.

40. Doyle JJ, Doyle JL. A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue. Phytochemical Bulletin. 1987;19(1):11-15.

41. National Center for Biotechnology Information. GenBank Overview. Available from: https://www.ncbi.nlm. nih.gov/genbank/.

42. Bolger AM, Lohse M, Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. Bioinformatics. 2014;30(15):21 14-2120. https://doi.org/10.1093/ bioinformatics/btu170.

43. Aronesty E. ^mparison of sequencing utility program. Open Bioinformatics J. 2013;7:1-8. https://doi.org/1 0.2174/1875036201307010001.

44. Taylor SA, Larson EL, Harrison RG. Hybrid zones: windows on climate change. Trends Ecol Evol. 2015;30(7):398-406. https://doi.org/10.1016/j. tree.2015.04.010.

45. Vallejo-Marin M, Hiscock SJ. Hybridization and hybrid speciation under global change. New Phytologist. 2016;21 1(4):1 170-1 187. https://doi.org/10.1111/ nph.14004.

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

46. Preston CD, Pearman DA. Plant hybrids in the wild: evidence from biological recording. Biol J Linn Soc Lond. 2015;115(3):555-572. https://doi.org/l0.111l/ bij.12577.

47.Дорофеев П.И. Третичные флоры Западной Сибири. — М., Л.: Издательство Академии наук СССР, 1963. — 346 с. [Dorofeev PI. Tretichnyye flory Zapad-noy Sibiri. Moscow-Leningrad: Izdatel'stvo Akademii Nauk SSSR; 1963. 346 p. (In Russ.)]

48.Дорофеев П.И. К систематике третичных Sparganium // Советская палеокарпология: итоги и перспективы / Сб. статей под ред. Г.И. Горецко-го, В.П. Гричук. - М.: Наука, 1979. - С. 53-75. [Dorofeev PI. K sistematike tretichnykh Sparganium. In: (Collected papers) Sovetskaya paleokar-pologiya: itogi i perspektivy. Ed. by G.I. Goretskiy, V.P. Grichuk. Moscow: Nauka; 1979. рр. 53-75. (In Russ.)]

49.Беляков Е.А., Щербаков А.В., Лапиров А.Г., Шилов М.П. Морфология и экологические особенности Sparganium х longifolium (Typhaceae) в центре Европейской части России // Biosystems Diversity. - 2017. - Vol. 25. - № 2. - P. 154-161. [Belyakov EA, Shcherbakov AV, Lapirov AG, Shi-lov MP. Morphology and ecological characteristics of Sparganium х longifolium (Typhaceae) in the Central part of European Russia. Biosystems Diversity. 2017;25(2):154-161. (In Russ.)]. https://doi. org/10.15421/011723.

50. Виноградова Ю.К., Галкина М.А. Гибридизация как фактор инвазионной активности чужеродных видов золотарника (Solidago) // Журнал общей биологии. -2019. - Т. 80. - № 1. - С. 43-56. [Vinogradova YuK, Galkina MA. Hybridization as a factor of invasive activity of alien species of goldenrods (Solidago). Journal of general biology. 2019;80(1):43-56. (In Russ.)]. https://doi.org/10.1134/S004445961901007X.

51. Tamura K, Nei M. Estimation of the number of nucleo-tide substitutions in the control region of mitochondrial DNA in humans and chimpanzees. Mol Biol Evol. 1993; 10(3):512-526. https://doi.org/10.1093/oxford-journals.molbev.a040023.

52. Kumar S, Stecher G, Tamura K. MEGA7: Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 7.0 for bigger datasets. Mol Biol Evol. 2016;33(7): 1870-1874. https://doi.org/10.1093/molbev/msw054.

53. Цвелев Н.Н. Заметки о некоторых гидрофильных растениях флоры СССР // Новости систематики высших растений. - 1984. - Т. 21. - С. 232-242. [Tzvelev NN. Notulae de florae URSS plants hydrophi-lis nonnulis. Novitates systematicae plantarum vas-cularium. 1984;21:232-242. (In Russ.)]

54. Cook CD, Nicholls MS. A monographic study of the genus Sparganium. Part 2: Subgenus Sparganium. Bot Helv. 1987;97(1):1-44.

55. Снакин В.В. Динамика биоразнообразия, дрейф материков и глобализация // Век глобализации. -2015. - № 1. - С. 66-74. [Snakin VV. The Dynamics of biodiversity, continental drift and globalization. Age of Globalization. 2015;(1):66-74. (In Russ.)]

56. Chaw SM, Zharkikh A, Sung HM, et al. Molecular phylogeny of extant gymnosperms and seed plant evolution: analysis of nuclear 18S rRNA sequences. Mol Biol Evol. 1997;14(1):56-68. https://doi.org/10.1093/ oxfordjournals.molbev.a025702.

* Информация об авторах

Евгений Александрович Беляков — канд. биол. наук, старший научный сотрудник, лаборатория высшей водной растительности, ФГБУН «Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина» РАН, пос. Борок, Ярославская обл; ФГБОУ ВО «Череповецкий государственный университет», Череповец. SPIN: 6944-1980. E-mail: eugenybeliakov@yandex.ru.

Эдуард Модрисович Мачс — канд. биол. наук, старший научный сотрудник, лаборатория биосистематики и цитологии. ФГБУН «Ботанический институт им. В.Л. Комарова» РАН, Санкт-Петербург. SPIN: 9496-0538. E-mail: emachs@binran.ru.

Юлия Владимировна Михайлова — канд. биол. наук, научный сотрудник, лаборатория биосистематики и цитологии. ФГБУН «Ботанический институт им. В.Л. Комарова» РАН, Санкт-Петербург. SPIN: 4271-1072. E-mail: ymikhaylova@binran.ru.

Александр Викентьевич Родионов — д-р биол. наук, профессор, главный научный сотрудник с возложением обязанностей заведующего лабораторией биосистематики и цитологии, ФГБУН «Ботанический институт им. В.Л. Комарова» РАН, Санкт-Петербург; профессор биологического ф-та, ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет», Санкт-Петербург. SPIN: 6206-2123. E-mail: avrodionov@mail.ru.

& Authors and affiliations

Evgeniy A. Belyakov — Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, Laboratory of Higher Aquatic Plants, Papanin Institute for Biology of Inner Waters, RAS, pos. Borok, Yaroslavl Region, Russia; Cherepovets State University, Cherepovets, Russia. SPIN: 6944-1980. E-mail: eugenybeliakov@yandex.ru.

Eduard M. Machs — Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, Laboratory of Biosystematics and Cytology. Komarov Botanical Institute RAS, Saint Petersburg, Russia. SPIN: 9496-0538. E-mail: emachs@binran.ru.

Yulia V. Mikhailova — Candidate of Biological Sciences, Researcher, Laboratory of Biosystematics and Cytology. Komarov Botanical Institute RAS, Saint Petersburg, Russia. SPIN: 4271-1072. E-mail: ymikhaylova@binran.ru.

Aleksandr V. Rodionov — Doctor of Biological Sciences, Professor, Chief Researcher with the Assignment of the Duties of the Head of the Laboratory of Biosystematics and Cytology, Komarov Botanical Institute RAS, Saint Petersburg, Russia; Saint Petersburg State University, Saint Petersburg, Russia. SPIN: 6206-2123. E-mail: avrodionov@mail.ru.

The study of hybridization processes within genus Sparganium L. Subgenus Xanthosparganium holmb. Based on data of next generation sequencing (NGS)