CC BY
26Трансформация экосистем Ecosystem Transformation www.ecosysttrans.com
Инвазионные таксоны рода Solidago Ь. в окрестностях города Пскова
М.А. Галкина*, Ю.К. Виноградова
Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН, 127276, Москва, ул. Ботаническая, д. 4 mawa.galkina@gmail.com
Поступила в редакцию: 07.02.2019 Принята к печати: 24.02.2019 Опубликована онлайн: 20.05.2019
DOI: 10.23859/estr-190207 УДК 575.858:582.998.1(470)8 URL: http://www.ecosysttrans.com/ publikatsii/detail_page.php?ID=116
ISSN 2619-094X Print ISSN 2619-0931 Online
В окрестностях г. Пскова произрастают три таксона рода Solidago: аборигенный вид S. virgaurea, инвазионный вид североамериканского происхождения S. canadensis и их гибрид S. х niederederi. Были изучены некоторые морфологические особенности гибрида и родительских видов. По диаметру корзинок S. х niederederi занимает промежуточное положение между S. virgaurea и S. canadensis. Гибридогенное происхождение S. х niederederi доказано с помощью молекулярного анализа нуклеотидных последовательностей ядерной ДНК (участок ITS). На данный момент нельзя однозначно ответить на вопрос, какой из родительских видов является материнским, а какой - отцовским. С помощью анализа высоковариабельных некодирующих участков хлоропластной ДНК (rpl32-trnL) можно предположить, что гибридизация идет в обоих направлениях.
Ключевые слова: инвазии, гибридизация, Solidago canadensis, S. х niederederi, S. virgaurea, диаметр корзинок, участок ITS, хлоропластный участок rpl32-trnL.
Галкина, М.А., Виноградова, Ю.К., 2019. Инвазионные таксоны рода Solidago L. в окрестностях города Пскова. Трансформация экосистем 2 (2), 62-68.
Введение
Инвазии чужеродных видов приводят к обеднению флоры обширных территорий и могут наносить экономический ущерб (Виноградова и др., 2010; McGeoch et al., 2010). Североамериканский вид Solidago canadensis (Linnaeus, 1753) входит в первые сто наиболее агрессивных инвазионных видов России (Виноградова и др., 2015). Конечно, при натурализации чужеродного вида возникает взаимодействие с представителями аборигенной флоры, что может приводить и к образованию гибридов. Существует гипотеза, что во вторичном ареале интенсивность гибридизационных процессов усиливается (Ellstrand and Schierenbeck, 2000; Elton, 1958). При этом гибриды могут оказаться более приспособленными к условиям новой родины, чем родительские таксоны (Abbott et al., 2003; Bleeker et al., 2007; Zalapa et al., 2009). В европейской части России гибриды составляют
10% от общего числа инвазионных видов (Виноградова и Майоров, 2015). На территории Европы произрастает гибрид S. * niederederi (Khek, 1905), родительскими видами которого являются S. canadensis и S. virgaurea (Linnaeus, 1753). Его популяции были отмечены в Австрии, Великобритании, Литве и Польше (Pagitz, 2016), и за последние десятилетия он значительно расширил свой ареал (Karpaviciene and Radusiene, 2016; Pliszko and Zaj^c, 2016). В наших предыдущих исследованиях с помощью ISSR-метода было установлено, что собранные нами в европейской части России растения, определенные на основании морфологических признаков как S. * niederederi, с высокой вероятностью действительно имеют гибридогенное происхождение (Виноградова и Галкина, 2019), однако точно утверждать это можно только после анализа нуклеотидных последовательностей ДНК предполагаемых гибридов и родите-
лей. Мы поставили перед собой задачу изучить особенности гибридов Solidago на северо-западе России, поскольку в современной литературе наиболее многочисленны упоминания S. х niederederi в северо-восточной части Европы, а Псковская область является наиболее близко расположенным к ней регионом России. Ранее на основании анализа высоковариабельного некодирующего хлоропластного участка rpl32-trnL польскими ботаниками было установлено, что гибридизация между S. canadensis и S. virgaurea может идти в обоих направлениях, и оба вида могут являться как материнскими, так и отцовскими растениями (Pliszko and Zalewska-Gatosh, 2016). Мы поставили задачу определить, какая ситуация в отношении родительских таксонов наблюдается в псковских популяциях данных видов.
Материалы и методы
Измерение диаметра и длины корзинок проводилось с помощью цифрового микроскопа Keyence VHX-1000. Для каждого из трех таксонов было измерено по 30 корзинок с растений, собранных в Псковской области (Псковский район, окрестности г. Пскова, залежь у шоссе). Статистически данные были обработаны в программе PAST 3.
Выделение ДНК проводилось CTAB-методом (Rogers and Bendich, 1985) из гербарного материала, собранного в Псковской и Московской областях (Табл. 1). В Московской области представители родительских видов были собраны в двух точках: в национальном парке «Лосиный остров» (в сосняке с елью и березой) и в окрестностях с. Чудиново в Чеховском районе (на залежи). Эти дополнительные образцы использовались для бо-
Табл. 1. Образцы различных таксонов рода Solidago L. (предполагаемых гибридов S. х niederederi и родительских видов), использованные для молекулярно-генетического анализа.
Номер образца Номер сиквенса участка ITS в ГенБанке Номер сиквенса участка rpl32-trnL в ГенБанке Таксон Точка сбора и местообитание Год сбора
v_1a MK491849 MK474079
v_1b MK491850 MK474080 S. virgaurea
v_1c MK491851 MK474081
n_2a n_2b n_2c MK491852 MK491853 MK474082 MK474083 MK474084 S. х niederederi Псковская обл., Псковский р-н, окрестности г. Пскова, залежь, N 57.80°, Е 28.25° 2018
c_3a MK491854 MK474085
c_3b MK491855 MK474086 S. canadensis
c_3c MK491856 MK474087
v_4 c_5a c_5b MK491857 MK474088 MK474090 MK474089 S. virgaurea S. canadensis Московская обл., Чеховский р-н, окрестности с. Чудиново, залежь, N 55.1°, Е 37.5° 2018
v_6a v_6b MK491858 MK491859 - S. virgaurea Московская обл., НП «Лосиный остров», сосняк, N 55.89°, 37.77° 2014
лее точной оценки полиморфизма инвазионного вида S. canadensis и аборигенного S. virgaurea в европейской части России, а также для исключения ложной трактовки результатов анализа участков хлоропластной ДНК на предмет определения материнского вида.
Полимеразную цепную реакцию (ПЦР) проводили в амплификаторе DNA Engine Dyad Peltier Thermal Cycler (Biorad, США). Для ядерного участка ITS использовались праймеры nnc18s10 (прямой) и с26А (обратный) при температуре от-
жига 50 °С. Для хлоропластного участка 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). Те же условия ПЦР были созданы и для другого хлоропластного участка, trnL-trnF (праймеры с и f). Очистка ПЦР-продукта для секвенирования выполнялась в смеси ацетата аммония с этанолом. Определение нуклеотидных последовательностей ДНК проводилось на автоматическом секве-наторе в ЗАО «Синтол». Дальнейшая обработка
Рис. 1. Структура соцветия Solidago х niederederi и родительских видов.
Рис. 2. Параметры корзинок Solidago х niederederi и родительских видов: указаны квартили (1-я и 3-я), медиана, максимальное и минимальное значения.
Рис. 3. Корзинки Solidago х niederederi со схемой проведения измерений.
нуклеотидных последовательностей проводилась в программе BioEdit. Полученные данные были размещены в базе данных ГенБанк (https://www. ncbi.nlm.nih.gov/nuccore), в которой эти нуклеотид-ные последовательности можно найти по присвоенным им дополнительным номерам (Табл. 1).
Результаты и обсуждение
Основным отличием гибрида S. х niederederi и его родителей является строение побеговых систем (главным образом, структура соцветия, Рис. 1). У S. canadensis многочисленные корзинки собраны в раскидистую метелку, у S. х niederederi число корзинок меньше и собраны они в сжатую метелку, тогда как у S. virgaurea число корзинок наименьшее, а веточки метелки настолько короткие, что соцветие скорее напоминает колос. Различаются и размеры самих корзинок (Рис. 2). Корзинки S. х niederederi (Рис. 3) имеют овальную форму и по диаметру занимают промежуточное положение между родительскими видами - 2201 ± 45 мкм (среднее ± ошибка среднего) при максимальном разбросе от 1762 до 2728 мкм, тогда как для S. virgaurea и S. canadensis эти величины составляют 3132 ± 30 мкм (2874-3548 мкм)
Табл. 2. Полиморфизм участка ITS для гибридов Solidago х niederederi и родительских видов. Обозначения нуклеотидов приведены в соответствии с правилами IUPAC.
Номер образца 384 Позиция в выравнивании 431 508 549
v_1a T A C A
v_1b T A C A
v_1c T A C A
n_2a Y M Y R
n_2b Y M Y R
c_3a C C T G
c_3b C C T G
c_3c Y M T R
c_5a C C T G
v_6a T A C A
v 6b T A C A
СП СП
03
Табл. 3. Полиморфизм участка rpl32—trnL для гибридов Solidago х niederederi и родительских видов. Обозначения нуклеотидов приведены в соответствии с правилами IUPAC.
Номер образца 191 242-264 Позиция в выравнивании 271-306 (292-330) 739-741 (746-748, 709-714) 894 (900, 923)
v_1a А - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTCTT Т С
v_1 b С - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTCTTGAATTCT Т С
v_1c С - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTCTTGAATTCT - С
n_2a С - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTCTTGAATTCT - С
n_2b С - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTCTTGAATTCT т С
n_2c С - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTCTTGAATTCT т С
c_3a А GAATCTTAATGTTATGTCTAAA TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTCTT т А
c_3b А - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTCTTGAATTCT тттт А
c_3c С - - - С
v_4 С - TGTCTAAAAGAATAATTCTTGTATTTCTTGAATTCT TT С
c_5a С - - т С
c_5b А - - тттт А
х 03
> го
S X
о -1 тз
03
ь о
CD 03
5
ю
0
ю ^
аз
1 §
о
■О §
оз §
Ц> §
о с о
ю
ю
О)
ю I
СП 00
и 1591 ± 22 мкм (1428-1939 мкм) соответственно. Что касается длины корзинок, то по этому показателю псковские растения S. х niederederi нельзя четко отличить от S. canadensis из-за высокой вариабельности этого показателя у S. canadensis. Тем не менее по средним значениям длин корзинок гибрид также занимает промежуточное положение между родительскими видами (Рис. 2). Побеги S. canadensis и S. х niederederi опушенные, тогда как побеги S. virgaurea голые, блестящие, иногда красноватого цвета. Листья S. х niederederi в средней части побега линейно-ланцетные, зубчатые по краю, с тремя четкими жилками (как у S. canadensis), а в базальной части побега крупные, яйцевидные, с сетчатым жилкованием (как у S. virgaurea).
Для подтверждения гибридогенного происхождения популяции S. х niederederi в окрестностях г. Пскова были проанализированы нуклеотидные последовательности ядерной и хлоропластной ДНК псковских особей (обоих родительских и гибридогенного видов), а также особей родительских видов из Московской области. Анализ участка ITS показал, что во всех случаях нуклеотидных замен, дифференцирующих S. virgaurea и S. canadensis, у S. х niederederi наблюдаются неоднозначные прочтения (Табл. 2), говорящие о гетерозиготности, что подтверждает гибридогенное происхождение особей из данной популяции. Один из образцов S. canadensis (c_3c) в трех случаях нуклеотидных замен из четырех показал гетерозиготность, хотя морфологически данный образец не отличался от других особей S. canadensis, что говорит о наличии интрогрессивной гибридизации внутри рода Solidago. Вероятно, данный образец является бэк-кроссом (т.е. результатом скрещивания S. х niederederi с родительским видом S. canadensis).
Анализ высоковариабельного межгенного спейсера rpl32-trnL не позволил дать однозначный ответ, какой из видов является материнским для S. х niederederi, а какой - отцовским. В отличие от результатов, полученных А. Плижко и Ж. Залев-ской-Галош (2016), наши образцы S. canadensis обладают более высокой вариабельностью данного участка хлоропластной ДНК. Так, например, образец с_3а из Псковской области имеет фрагмент ДНК, который отсутствует у остальных не только псковских, но и подмосковных растений S. canadensis (242-264 нуклеотиды, Табл. 3). Участок, занимающий позиции 271-306 в выравнивании наших последовательностей (292-330 для образца с_3а, Табл. 3) и дифференцирующий родительские виды в польских популяциях (Pliszko and Zalewska-Gatosh, 2016), может различаться не только у S. х niederederi, но и у обоих родительских видов. Анализ другого некодирующего участка хлоропластной ДНК - trnL-trnF также не позволил ответить на этот вопрос, поскольку все
исследуемые образцы оказались идентичны по данному участку. Исходя из полученных данных, мы можем лишь предположить, что в псковской популяции гибридизация протекает в обоих направлениях, но существует и вероятность того, что только один вид может быть материнским, а другой - отцовским, и требуется поиск иных, более вариабельных участков хлоропластной ДНК, что планируется сделать в ближайшее время.
Выводы
На залежи в окрестностях г. Пскова совместно произрастают популяции трех таксонов - инвазионного вида североамериканского происхождения S. canadensis и аборигенного вида S. virgaurea, а также их гибрида S. х niederederi, что было подтверждено анализом последовательностей участка ITS ядерной ДНК. Так как оба родителя, в особенности S. canadensis, являются достаточно полиморфными таксонами, однозначно ответить на вопрос о том, какой из двух видов является материнским, а какой - отцовским, нельзя. С высокой вероятностью можно говорить о наличии интрогрессивной гибридизации внутри рода Solidago.
Благодарности
Работа выполнена в рамках ГЗ ГБС РАН (№19-119012390082-6) при частичной поддержке гранта РФФИ №18-04-00411.
Список литературы
Виноградова, Ю.К., Галкина, М.А., 2019. Гибридизация как фактор инвазионной активности чужеродных видов золотарника (Solidago). Журнал общей биологии 80 (1), 43-56.
Виноградова, Ю.К., Майоров, С.Р., 2015. Длительность lag-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., Майоров, С.Р., Хорун, Л.В., 2010. Черная книга флоры Средней России. Геос, Москва, Россия, 512 с.
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.
Abbott, R.J., James, J.K., Milne, R.I., Giles, A.C.M., 2003. Plant introduction, hybridization and gene flow. Philosophical Transactions of the Royal Society 358,1123-1132.
Bleeker, W., Schmitz, U., Ristow, M., 2007. Interspecific hybridization between alien and native plant species in Germany and its consequences for native biodiversity. Biological Conservation 137 (2), 248-253.
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, Great Britain, 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.
McGeoch, M.A., Butchart, C.H.M., Spear, D. et al., 2010. Global indicators of biological invasion: species numbers, biodiversity impact and policy responses. Diversity and Distributions 16, 95-108.
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 28.02.2019).
Pagitz, K., 2016. Solidago x niederederi (S. canadensis x s. virgaurea ssp. virgaurea) in the Eastern Alps. Abstracts of Conference "Neobiota 2016". Foundation faune-flore, Vianden, Luxembourg, 194.
Pliszko, A., Zaj^c, M., 2016. Current and potential distribution of Solidago x niederederi (Asteraceae) in Poland. Abstracts of Conference "Neobiota 2016". Foundation faune-flore, Vianden, Luxembourg, 163.
Pliszko, A., Zalewska-Gatosh, J., 2016. Molecular evidence for hybridization between invasive Solidago canadensis and native S. virgaurea. Biological Invasions 18, 3103-3108.
Rogers, S.O., Bendich, A.J., 1985. Extraction of DNA from milligram amounts of fresh, herbarium and mummified plant tissues. Plant Molecular Biology 5, 69-76.
Shaw, J., Lickey, E.B., Schilling, E.E., Small, R.L., 2007. Comparison of whole chloroplast genome sequences to choose noncoding regions for phy-logenetic studies in Angiosperms: the tortoise and the hare III. American Journal of Botany 94 (3), 275-288.
Zalapa, J.E., Brunet, J., Guries, R.P., 2009. Patterns of hybridization and introgression between invasive Ulmus pumila (Ulmaceae) and native U. rubra. American Journal of Botany 96, 1116-1128.
Invasive taxa of the genus Solidago L. in the vicinity of the city of Pskov
Maria A. Galkina*, Yuliya K. Vinogradova
N.V. Tsitsin Main Moscow Botanical Garden, Russian Academy of Sciences, Botanicheskaya str. 4, Moscow, 4127276 Russia
*mawa.galkina@gmail.com
Three taxa of the genus Solidago occur in the vicinity of Pskov: S. virgaurea, an aboriginal species, S. canadensis, an invasive species of North American origin, and their hybrid S. x niederederi. We studied the morphology of the hybrid and parental species. The diameter of the S. x niederederi flower heads is intermediate between those in S. virgaurea and S. canadensis. The hybridogenic origin of S. x niederederi was demonstrated using molecular analysis of nucleotide sequences of nuclear DNA (ITS region). At present, it is not possible to unequivocally determine which of the parental species was maternal and which was paternal. By analyzing the highly variable noncoding loci of chloroplast DNA (rpl32-trnL), it can be assumed that hybridization proceeds in both directions.
Keywords: invasions, hybridization, Solidago canadensis, S. x niederederi, S. virgaurea, flower heads diameter, ITS region, chloroplast loci rpl32-trnL.
