Гибридогенная активность Solidago L. в Северо-Восточной Европе Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Трансформация экосистем Ecosystem Transformation www.ecosysttrans.com

Гибридогенная активность Solidago L. в Северо-Восточной Европе

М.А. Галкина*, Ю.К. Виноградова

Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН, 127276, Россия, г. Москва, ул. Ботаническая, д. 4 [email protected]

Поступила в редакцию: 29.04.2020 Принята к печати: 01.06.2020 Опубликована онлайн: 12.08.2020

DOI: 10.23859/estr-200429 УДК 575.858:582.998.1(470)8

ISSN 2619-094X Print ISSN 2619-0931 Online

Известно, что два широко расселившихся в Европе инвазионных вида золотарников североамериканского происхождения Solidago canadensis и S. gigantea могут образовывать гибриды с аборигенным золотарником S. virgaurea. На территории Калининградской области России и в Литве нами найдены растения, по морфологическим признакам отнесенные к гибридам S. х snarskisii (= S. gigantea х s. virgaurea) и S. х niederederi (= S. canadensis х s. virgaurea). Анализ ядерного рибосом-ного внутреннего транскрибируемого спейсера 1-2 (ITS 1-2) показал неоднозначность происхождения предполагаемых гибридов. Так, у S. х niederederi нуклеотидные замены, дифференцирующие родительские виды S. virgaurea и S. canadensis, имели неоднозначные прочтения, свидетельствующие о гете-розиготности, благодаря чему было подтверждено гибридо-генное происхождение особей. Однако для многих образцов S. х snarskisii гибридогенное происхождение не подтвердилось. Изредка гибриды все-таки возникают, но, по всей видимости, вскоре поглощаются материнским видом. Анализ хлоропластного некодирующего межгенного спейсера rpl32-trnL показал, что в этом случае материнским видом является S. virgaurea, а отцовским - S. gigantea.

Ключевые слова: Solidago, инвазионные виды, гибридизация, Solidago х niederederi, Solidago х snarskisii, ITS 1-2, rpl32-trnL.

Галкина, М.А., Виноградова, Ю.К., 2020. Гибридогенная активность Solidago L. в Северо-Восточной Европе. Трансформация экосистем 3 (3), 139-147.

Введение

Североамериканские виды Solidago canadensis Linnaeus, 1753 и S. gigantea (Aiton, 1789) входят в топ-100 самых агрессивных видов растений в России (Виноградова и др., 2015; Дгебуадзе и др., 2018). Действительно, при натурализации чужеродных видов происходит их взаимодействие с аборигенными видами, что может привести и к образованию гибридов. В европейской части России их доля достигает 10% от общего числа инвазионных видов растений (Виноградова и Майоров, 2015). Стоит отметить, что одной из гипотез, объ-

ясняющих успешность растений на новой родине, служит предположение об усилении гибридизации во вторичном ареале (Ellstrand and Schierenbeck, 2000; Elton, 1958).

На территории Европы отмечены популяции гибрида S. х niederederi Khek, 1905, родительскими видами которого являются S. canadensis и S. virgaurea Linnaeus, 1753. Он широко распространен на территории Австрии, Великобритании, Литвы и Польши (Pagitz, 2016), а за последние десятилетия увеличение его ареала интенсивно продолжалось (Karpaviciene and Radusiene, 2016;

Pliszko and Zajac, 2016). Поскольку большинство упоминаний S. х niederederi относятся к Северо-Восточной Европе, мы решили провести исследования в данном регионе. Ранее нами была изучена популяция S. х niederederi в Псковской области (Галкина и Виноградова, 2019) и подтверждено гибридогенное происхождение этих растений, однако данных по единственной популяции недостаточно для достоверного результата.

Что касается характерных морфологических признаков, S. х niederederi имеет метельчатое соцветие, опушенные побеги и мелкие корзинки, как S. canadensis, и крупные листья в основании побега - как S. virgaurea. Второй гибрид, S. х snarskisii Gudzinskas & Zalneravicius, 2016

отличается от S. х niederederi неопушенными побегами и более крупными корзинками (Рис. 1). Соцветия этого гибрида также метельчатые, при этом активно ветвящиеся, с характерными прямостоячими ветвями (Gudzinskas and Zalneravicius, 2016). S. х snarskisii встречается значительно реже. Он описан на основании сборов, проводившихся в Литве (Gudzinskas and Zalneravicius, 2016), хотя ранее одна особь данного таксона была обнаружена С.Р. Майоровым в Московской области в национальном парке Лосиный остров (2011 г.) и два экземпляра - на окраине г. Калуги (2012 г.). ISSR-анализ ДНК указанных растений и родительских таксонов не опровергает их гибри-догенного происхождения (Виноградова и Галки-

S. gigantea

Рис. 1. Гибриды и родительские виды внутри рода Solidago

Табл. 1. Образцы различных таксонов Solidago (предполагаемых гибридов и родительских видов), использованные для молекулярно-генетического анализа.

Номер образца Номер сиквенса в ГенБанке ITS1-2 rpl32-trnL Таксон Точка сбора и местообитание

Sc_1B MT376752 МТ385316 Литва, луг вдоль шоссе г. Аукштадварис - г. Тракай N 54.59° Е 24.77°

Sc_4T Sc_5T MT376753 MT376754 МТ385317 МТ385318 Литва, луг вдоль шоссе г. Тракай - г. Вильнюс N 54.63° Е 25.13°

Sc_17Z MT376755 МТ385319 S. canadensis Литва, окрестности пос. Забараускай, разреженный сосняк N 54.55° Е 24.51°

Sc_W MT376756 МТ385320 Россия, Калининградская обл., пос. Шатрово, обочина шоссе N 54.85° Е 20.52°

Sc_P_20a Sc_P_20b Sc_P_20c MK491854 MK491855 MK491856 MK474085 MK474086 MK474087 Россия, Псковская обл., залежь в окр. г. Пскова N 57.80° Е 28.25°

Sn_3B MT376757 МТ385321 Литва, луг вдоль шоссе г. Аукштадварис - г. Тракай N 54.59° Е 24.77°

Sn_1T Sn_6T MT376758 МТ385322 МТ385323 Литва, луг вдоль шоссе г.Тракай - г. Вильнюс N 54.63° Е 25.13°

Sn_W MT376759 МТ385324 S. x niederederi Россия, Калининградская обл., пос. Шатрово, обочина шоссе N 54.85° Е 20.52°

Sn_P_21a Sn_P_21b Sn_P_21c MK491852 MK491853 MK474082 MK474083 MK474084 Россия, Псковская обл., залежь в окр. г. Пскова N 57.80° Е 28.25°

Sv_2T Sv_10T MT376760 MT376761 МТ385328 Литва, луг вдоль шоссе г. Тракай - г. Вильнюс N 54.63° Е 25.13°

Sv_2Z MT376762 - Литва, окрестности пос. Забараускай, разреженный сосняк N 54.55° Е 24.51°

Sv_1-2C Sv_2-2C Sv_3-2C MT376763 MT376764 MT376765 МТ385325 МТ385326 МТ385327 S. virgaurea Россия, Калининградская обл., окр. пос. Цветное, разреженный сосняк N 54.77° Е 20.07°

Sv_W MT376766 МТ385329 Россия, Калининградская обл., пос. Шатрово, обочина шоссе N 54.85° Е 20.52°

Sv_P_19a Sv_P_19b Sv_P_19c MK491849 MK491850 MK491851 MK474079 MK474080 MK474081 Россия, Псковская обл., залежь в окр. г. Пскова N 57.80° Е 28.25°

Номер образца Номер сиквенса в ГенБанке ITS1-2 rpl32-trnL Таксон Точка сбора и местообитание

Ssn_5Z - МТ385332

Ssn_6Z Ssn_10Z Ssn_12Z Ssn_13Z MT376767 MT376768 MT376769 MT376770 МТ385333 МТ385334 МТ385335 S. х snarskisii Литва, окрестности пос. Забараускай, разреженный сосняк N 54.55° Е 24.51°

Ssn_1-2C Ssn_2-2C Ssn_3-2C MT376771 MT376772 МТ385330 МТ385331 Россия, Калининградская обл., окр. пос. Цветное, разреженный сосняк N 54.77° Е 20.07°

Sg_1-2C Sg_2-2C Sg_3-2C MT376773 MT376774 MT376775 МТ385336 МТ385337 МТ385338 S. gigantea Россия, Калининградская обл., окр. пос. Цветное, разреженный сосняк N 54.77° Е 20.07°

на, 2019). Нами было принято решение собрать растения, обладающие морфологическими признаками S. х snarskisii, в популяции, описанной З. Гуджинскасом и Е. Жальнеравичусом (2016), а также в ближайших к ней популяциях (Забара-ускай, Литва), чтобы подтвердить гибридогенное происхождение данных растений молекулярно-ге-нетическими методами.

Материалы и методы

Выделение ДНК проводилось из высушенных силикагелем листьев различных таксонов рода Solidago (всего 27 образцов) с помощью набора Экстран (производства ЗАО «Синтол»). Образцы растений были собраны в Калининградской области России и в Литве в августе - сентябре 2019 г. (Табл. 1). Кроме того, анализу подверглись данные по растениям из Псковской области, полученные в 2018 г. Полимеразную цепную реакцию (ПЦР) проводили в амплификаторе DNA Engine Dyad Peltier Thermal Cycler (Biorad, США). Для ядерного рибосомного внутреннего транскрибируемого спейсера 1-2 (ITS 1-2) использовались праймеры nnc18s10 (прямой) и с26А (обратный) при температуре отжига 58 °С. Для хлоропластного высоковариабельного некодирующего межгенного спей-сера rpl32-trnL применялись праймеры rpl32F (прямой) и trnL UAG (обратный) при температуре отжига от 0.3 до 65 °С по методу Дж. Шоу (Shaw et al., 2007). Очистка ПЦР-продукта для секвени-рования выполнялась в смеси ацетата аммония с этанолом. Определение нуклеотидных последовательностей ДНК проводилось на автоматическом секвенаторе в ЗАО «Синтол». Дальнейшая обработка нуклеотидных последовательностей выполнялась в программе BioEdit. Полученные данные были размещены в базе данных ГенБанк

(NCBI), в которой эти нуклеотидные последовательности можно найти по присвоенным им дополнительным номерам (Табл. 1). Дальнейшая обработка данных и построение сетей гаплотипов проводилось в программе TCS 1.21.

Результаты и обсуждение

Анализ ядерного участка ITS 1-2 показал неоднозначность происхождения гибридов внутри рода Solidago.

Для большинства образцов S. х niederederi позиции в выравнивании, соответствующие ну-клеотидным заменам, дифференцирующим родительские виды S. virgaurea и S. canadensis, имели неоднозначные прочтения, свидетельствующие о гетерозиготности (Табл. 2). Эта неоднозначность на хроматограммах представляет собой двойные пики, которые могут указывать на гибридогенное происхождение особей (Рис. 2). Кроме того, на это так же указывает тот факт, что в отдельных случаях (при отсутствии неоднозначных прочтений) часть образцов имеет в определенной позиции (например, в 579) нуклеотиды как у одного из родительских видов, а часть - как у другого (Табл. 2). Анализ участка rpl32-trnL не позволил дать ответ на вопрос, какой из родительских видов является материнским, а какой - отцовским. Наши образцы показали вариабельность этого хлоропластного участка внутри всех трех таксонов: S. х niederederi, S. virgaurea и S. сanadensis (Табл. 3). Аналогичная ситуация наблюдалась для популяции S. х niederederi на залежи в окрестностях г. Пскова (Галкина и Виноградова, 2019).

Относительно второго гибрида можно сказать, что образец S. х snarskisii из окрестностей пос. Цветное в Калининградской области (Ssn_2-2C) имеет неоднозначные прочтения последова-

Sc 4Т

560

G А G Т CT CTGTTG А CGGG С

а g т cy ctgttg а cggg

agt с с ctgttg а cggg

Рис. 2. Фрагменты хроматограмм сиквенсов образцов Solidago сanadensis (Sc_4T), S. x niederederi (Sn_6T) и S. virgaurea (Sv_2T) из Литвы.

Табл. 2. Полиморфизм нуклеотидных последовательностей ITS1-2 у предполагаемых гибридов Solidago (в сравнении с родительскими таксонами). Условные обозначения нуклеотидов приведены по номенклатуре IUPAC.

Номер Позиция в выравнивании

образца 230 358 405 417 438 465 482 490 523 552 579 580 581

Sc_1B T C С A C T T C G G G T G

Sc_4T T C С A C T T C G G G T G

Sc_5T T C С A C T T C G G G T G

Sc_17Z T C С A C T T C G G G T G

Sc_W T C С A C T T C G G G T G

Sn_3B T Y M A C T Y C R G T C R

Sn_6T T T M A C T Y C R G G C G

Sn_W T Y M A Y Y Y C A G T C R

Sv_2T T T A A C T C C A G T C A

Sv_10T T T A A C T C C A G T C A

Sv_2Z T T A A C T C C A G T C A

Sv_1-2C T T A A C T C C A G T C A

Sv_2-2C T T A A C T C C A G T C A

Sv_3-2C T T A A C T C C A G T C A

Sv_W T T A A C T C C A G T C A

Ssn_6Z W T A A C T C C A G T C A

Ssn_10Z T T A M C T C Y A K T C A

Ssn_12Z T T A A C T C Y A G T C A

Ssn_13Z T T A A C T C Y A G T C A

Ssn_2-2C T Y M A C T C C A G T C A

Ssn_3-2C T T A A C T C C A G T C A

Sg_1-2C T C C A T Y C C G G G T G

Sg_2-2C T C C A Y T C C G G G T G

Sg_3-2C T C C A Y T C C R G G T G

Рис. 3. Сеть гаплотипов образцов растений Solidago, произрастающих в Литве и в Калининградской области России. A - участок ITS 1-2, B - участок rpl32-trnL.

Табл. 3. Полиморфизм нуклеотидных последовательностей rpl32-trnL у предполагаемых гибридов Solidago и родительских видов. Условные обозначения нуклеотидов приведены по номенклатуре IUPAC.

Номер Позиция в выравнивании

образца 166 184-189 207-228 268-304 378 686-690 843

Sc_1B С - - - T ттттт А

Sc_4T С - TATGTCTAAAGAATCTTAATGT TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTGAATTCTA С т А

Sc_5T С - TATGTCTAAAGAATCTTAATGT TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTGAATTCTA с т А

Sc_17Z С - - - с тттт А

Sc_W С - - - с тттт С

Sn_3B С - - - с т С

Sn_1T С - - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTGAATTCTA с т С

Sn_6T С - - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTGAATTCTA с т А

Sn_W С - - - с тттт С

Sv_1ОТ А - - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTA с т С

Sv_1-2C А - - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTA с т С

Sv_2-2C С - - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTGAATTCTA с т С

Sv_3-2C С - - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTA с т С

Sv_W С - - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTGAATTCTA с т С

Ssn_5Z А - - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTA с т С

Ssn_6Z С - - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTGAATTCTA с т С

Ssn_10Z А - - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTA с т С

Ssn_12Z С - - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTGAATTCTA с т с

Ssn_1-2C А - - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTA с TT с

Ssn_2-2C А - - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTTCTA с TT с

Sg_1-2C С - - - с тттт А

Sg_2-2C С - - - с - А

Sg_3-2C С ТААТАТ - - с тттт А

тельности в местах нуклеотидных замен участка ITS 1-2, дифференцирующих родительские виды (Табл. 2).

Остальные образцы, определенные на основании морфологических признаков как S. х snarskisii, имеют нуклеотидные последовательности ITS 1-2, идентичные таковым у аборигенного золотарника S. virgaurea (Табл. 2). Вполне вероятно, что данные растения представляют собой устойчивую экологическую форму S. virgaurea. Хлоропластные последовательности rpl32-trnL идентичны у S. virgaurea и предполагаемых S. х snarskisii (Табл. 3). Для редких гибридов S. х snarskisii это означает, что S. virgaurea является материнским, а S. gigantea - отцовским видом. Вероятно, гибриды очень неустойчивы и быстро поглощаются материнским видом. Кроме того, мы можем предположить, что с S. gigantea могут изредка скрещиваться не все формы S. virgaurea, а только форма с широким метельчатым соцветием с удлиненными и многоцветковыми веточками (указана как f. genuina Fiori (Флора СССР, 1959)).

Нами были построены сети гаплотипов по ядерному и хлоропластному участкам ДНК изученных растений (Рис. 3) с учетом ранее исследованных S. х niederederi, S. virgaurea и S. canadensis из окрестностей Пскова. Что касается участка ITS 1-2, то все гибриды вошли в один гаплотип с S. virgaurea (Рис. 3A), за исключением образца Sc_P_20a Образец Sc_P_20c, с нашей точки зрения, также является гибридом, но не F1, а результатом интрогрессии (Галкина и Виноградова, 2019). Хлоропластный межгенный спейсер rpl32-trnL очень вариабелен практически у всех изученных таксонов (кроме S. gigantea), и гибриды сравнительно равномерно распределились по нескольким гаплотипам (Рис. 3B).

Заключение

Таким образом, растения S. х niederederi в Северо-Восточной Европе являются настоящими гибридами, в то время как гибрид S. х snarskisii очень редок и быстро поглощается материнским видом S. virgaurea. Большинство описанных гибридов S. х snarskisii можно назвать «ложными», поскольку они представляют собой экологическую форму S. virgaurea, которая, вероятно, обладает слабой гибридогенной активностью и крайне редко может образовывать гибриды с инвазионной S. gigantea.

Благодарности

Работа выполнена в рамках ГЗ ГБС РАН (№19-119080590035-9) при частичной поддержке гранта РФФИ №18-04-00411.

Список литературы

Виноградова, Ю.К., Майоров, С.Р., 2015. Длительность 1ад-фазы как отражение микроэволюции растений во вторичном ареале. Материалы XIII Московского совещания по филогении растений «50лет без К.И. Мейера». Макс Пресс, Москва, Россия, 70-74.

Виноградова, Ю.К., Абрамова, Л.М., Акатова, Т.В. и др., 2015. «Черная сотня» инвазионных растений России. Информационный бюллетень совета ботанических садов стран СНГ 4 (27), 85-89.

Виноградова, Ю.К., Галкина, М.А., 2019. Гибридизация как фактор инвазионной активности чужеродных видов золотарника (Solidago). Журнал общей биологии 80 (1), 43-56.

Галкина, М.А., Виноградова, Ю.К., 2019. Инвазионные таксоны рода Solidago L. в окрестностях города Пскова. Трансформация экосистем 2 (2), 62-68. https://doi.org/10.23859/estr-190311

Дгебуадзе, Ю.Ю., Петросян, В.Г., Хляп, Л.А., 2018. Самые опасные инвазионные виды России (Т0П-100). Товарищество научных изданий КМК, Москва, Россия, 688 с.

Флора СССР. Т. XXV, 1959. Комаров, В.Л. (ред.). Издательство Академии наук СССР, Москва -Ленинград, СССР, 630 с.

Gudzinskas, Z., Zalneravicius, E., 2016. Solidago xsnarskisii nothosp. nov. (Asteraceae) from Lithuania and its position in the infrageneric classification of the genus. Phytotaxa 253 (2), 147-155.

Ellstrand, N.C., Shierenbeck, K.A., 2000. Hybridization as a stimulus for the evolution of invasiveness in plants? Proceedings of the American Society of Naturalists 97 (13), 7043-7050.

Elton, C.S., 1958. The ecology of invasions by animals and plants. Methuen, London, UK, 212 p.

Karpaviciene, B., Radusiene, J., 2016. Morphological and anatomical characterization of Solidago x niederederi and other sympatric Solidago species. Weed Science 64 (1), 61-70.

NCBI. Nucleotide. The Nucleotide database is a collection of sequences from several sources, including GenBank, RefSeq, TPA and PDB. Genome,

gene and transcript sequence data provide the foundation for biomedical research and discovery. Интернет-ресурс. URL: https://www.ncbi.nlm.nih. gov/nuccore (дата обращения 24.04.2019).

Pagitz, K., 2016. Solidago x niederederi(S. canadensis x s. virgaurea ssp. virgaurea) in the Eastern Alps. Abstracts of Conference "Neobiota 2016". Fond faune-flore, Vianden, Luxembourg, 194.

Pliszko, A., Zajac, M., 2016. Current and potential distribution of Solidago x niederederi (Asteraceae) in Poland. Abstracts of Conference "Neobiota 2016". Fond faune-flore, Vianden, Luxembourg, 163.

Shaw, J., Lickey, E.B., Schilling, E.E., Small, R.L., 2007. Comparison of whole chloroplast genome sequences to choose noncoding regions for phylo-genetic studies in Angiosperms: the tortoise and the hare III. American Journal of Botany 94 (3), 275-288.

Hybridogenic activity of Solidago L. in North-Eastern Europe

Maria A. Galkina*, Yulia K. Vinogradova

N.V. Tsitsin Main Botanical Garden, Russian Academy of Sciences, ul. Botanicheskaya 4, Moscow, 127276 Russia *[email protected]

Two invasive species of goldenrod of North American origin, Solidago canadensis and S. gigantea, widely spread in Europe, are known to be able to form hybrids with the native goldenrod S. virgaurea. In the Kaliningrad Region of Russia and in Lithuania, we found plants morphologically classified as the hybrids S. x snarskisii (= S. gigantea x S. virgaurea) and S. x niederederi (= S. canadensis x S. virgaurea). Analysis of the nuclear ribosomal internal transcribed spacer 1-2 (ITS 1-2) showed the ambiguity of the origin of the alleged hybrids. Thus, in S. x niederederi, the nucleotide substitutions that differentiate the parent species S. virgaurea and S. canadensis had ambiguous readings, indicating heterozygosity, which confirmed the hybridogenic origin of the individuals. However, for many specimens of S. x snarskisii, the hybridogenic origin was not confirmed. Occasionally, hybrids do occur, but appear to be soon absorbed by the maternal species. An analysis of the chloroplast non-coding intergenic spacer rpl32 - trnL showed that in these rare cases, the maternal species is S. virgaurea, and the paternal one is S. gigantea.

Keywords: Solidago, invasive species, hybridization, Solidago x niederederi, Solidago x snarskisii, ITS 1-2, rpl32-trnL.