CC BY
31
УДК 582.998 . 575.22 . 581.163
ИССЛЕДОВАНИЕ АЛЛОЗИМНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ В ПОЛОВЫХ И АПОМИКТИЧНЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ TARAXACUM И PI LOS ELL А (ASTERACEAE): ПОЛИМОРФИЗМ ПО ПЕРОКСИДАЗЕ, СУГШРОКСИДДИСМУТАЗЕ, ТИРОЗИНАЗЕ И ЭСТЕР АЗЕ
Л.С. Кашин. B.'-J. Аифшюв, Ю.А. Демочко ( арипювский государственный университет им Н.Г. Чернышевскоги
Проблема гаметофитного апомиксиса у покрытосеменных по-прежнему приковывает к себе пристальное внимание. Более того, в последнее десятилетие интерес к ней значительно возрос. По и использование самых современных методов исследования (молекулярно-генетичсских, генноинженерных) в сочетании с традиционными, такими как гибридологический, цитоэбриологический, цитогенетический методы, пока не прибавляют ясности в отношении большинства вопросов, связанных с этой проблемой. Не более как гипотетичными остаются, например, представления о характере генетического контроля явления, хотя определенный прогресс в этом направлении очевиден (Savidan, 1982; No-gler, 1984; Kindiger, Dewald, 1996; Grimanelli et al., 1998; Koltunow, Johnson, Bicknell, 1999; Grossnikiaus, Nogler, van Dijk, 2001; Bantin, Matzk, Dresselhaus, 2001). Много неясностей остаётся в ответах на вопрос о характере и природе генетической изменчивости в апомиктичных популяциях (Richards, 1986) и о роли гаметофитного апомиксиса в эволюции (Поддубная-Арнольди, 1984; Кашин, Куприянов, 1993).
Доминирует представление о том. что апомикты уступают половым формам в эволюционной и адаптационной пластичности (Грант, 1984), хотя по плохо согласуется с тем, что в агамных комплексах предковые половые формы всегда имеют ограниченные ареалы, а нередко - эндемики, в то время как многие апомиктичные виды имеют обширнейшие ареалы. Последнее, очевидно, без эволюционной и адаптационной пластичности невозможно.
Одним из основных современных критериев оценки изменчивости в популяциях является степень биохимического полиморфизма. Как правило, моле-кулярно-генегические методы анализа дают более точные и объективные представления о характере изменчивости (Глазко, Созинов, 1993). Fi последнее два десятилетия появился ряд публикаций по результатам исследования биохимического полиморфизма в апомиктичных популяциях растений (Ford, Richards, 1985; Ellstrand, Rouse, 1987; Bayer e.a., 1990; Yahara e.a., 1991; Monta. 1994; Menken et al., 1995; Noyes, Soltis, 1996; Schmelzer, Renno, 1999; Chapman et al., 2000; Horandl et al., 2001, Storchova et al., 2002, и др.). Однако, проведённые в этом направлении исследования явно недостаточны, и пока не выработан какой-либо единый универсальный критерий оценки параметра. Остаётся неясным, насколько приложимы критерии оценки полиморфизма, используемые в отношении половых популяций, к апомиктичным популяциям.
В этой связи было интересно провести сравнительное изучение методом гельэлектрофореза характера изменчивости энзимов в естественных популяциях половых и апомиктичных форм родов Pilosella и Taraxacum (Astera-ceae), - по сути классических объектов исследований по проблеме апомиксиса.
Материал и методы
Объектом исследования служили популяции двух половых (Т. serotinum, Р. echioides) и двух апомиктичных (Т. officinale, P. officinarum) видов Asteraceae (табл. 1). Сбор материала для исследования осуществляли случайным образом с площади 5 га по каждой популяции. Растения Т. officinale брали из популяции в районе Ьотанического сада СГУ (г. Саратов); Т. serotinum - из популяции на склоне Лысой горы (г. Саратов). Растения P. echioides в равных пропорциях брали из двух популяций: на склоне Лысой горы (г. Саратов) и в окрестностях поселка Кр. Октябрь, Саратовского района. Растения P. officinarum в равных пропорциях брали из двух популяций заказника «Длексеевские дачи» Б.-Карабулакского района: с влажного луга и из остепнеиного соснового бора.
По предварительным данным рас гения популяции Т. serotinum - половые диплоиды (2х = 16), популяции Т. officinale - апомиктичные триплоиды ( Зх = 24) (Кашин, Чернышова, 1997). При более подробном изучении в популяции обоих видов обнаружены растения иных уровней плоидности) (Кашин и др., в печати). Это уже отмечалось в литературе для апомиктичных видов Taraxacum (Morita, 1994).
Таблица 1. Видовая принадлежность растений исследованных популяций
Род Секция Вид Способ размножения
Taraxacum Wigg. Taraxacum Т. officinale апомиктичный
Serotina Soest. Т. serotinum (Waldst. et Kit.) Poir половой
Pilosella Tausch. Pilosella P. officinarum F. Schultz et Sch Bip. апомиктичный
Echinina (Naeg. et Peter.) Schijak. P. echioides (Lumn) F. Schultz et Sch Bip. половой
В половой популяции Р. есИкМез встречаются растения двух уровней плоидности (2х; 4х), а в аномиктичной популяции Р. о$1стагит обнаружены растения пяти уровней плоидности (2х-6х) (Кашин и др., 20006). Для Р. о$и:тагит отмечен высокий уровень гибридизации с другими видами рода. Участие в гибридизационном процессе, правда гораздо меньшей интенсивности, отмечено и для Р. echioides (Кашин и др., 2000а).
Для анализа использовали листья, взятые у растений в фазе цветения. Навеску образца (300 мг) гомогенизировали в 0,5 мл Трис - НО буфере для экстракции (рН 6,8) с защитными добавками: 0,5% аскорбиновая кислота, 0,01%
меркаптоэтанол и поливипилпирролидон для связывания фенолов. Тщательно гомогенизированную смесь помещали в холодильник на 15 мин для экстракции ферментов. Далее центрифугировали в течение 3 мин при 17 ООО об./мин и t~4°C. Отбирали 100 мкл надосадочной жидкости, которую использовали для разделения методом диск-электрофореза.
Диск-электрофорез проводили в вертикальных блоках полиакриламидного геля 150 х 150 мм, используя систему №1, предложенную Г. Маурером (1971). Концентрация разделяющего i-еля - 15%. Электрофорез проводили при 4"С и силе тока в стартовом режиме 25 мА, в основном режиме - 35 мА.
Исследовали пероксидазу (Ргх, КФ 1.11.1.7), зстеразу (F.st, КФ 3.1.1), су-лероксиддисмутазу (Sod, КФ 1.15.1.1) и тирозиназу (Tir, КФ 1.10.3.1). Для обнаружения зон активности использовали в случае Sod - реакцию восстановления нитросинего тетрозолия (HCT) кислородом (Гааль и др., 1982); Ргх -гистохимическую окраску по методу Makinen, Brewbaker (1967), с использованием в качестве субстрата бензидина; Est - методику, предложенную Przybylska е.а. (1978; цитир по: Сарсенбаев и др., 1982); Tir - методику, предложенную Shaw и Prasad (1970; цит. по: Генетика изоферментов, 1977).
В качестве мер генетической изменчивости популяций, согласно руководству (Айала, Кайгер, 1988), использовали долю полиморфных локусов, или полиморфность (Р) (полиморфными считали локусы с час тотой наиболее распространённого аллеля, не превышающей 0.95) и долю гетерозиготных локусов на особь, или наблюдаемую i етсрозиготность (Н). Рассчитывали ожидаемую гегерозиготность (Нпжи,,) для каждого локуса по формуле:
Н0ЖИЛ = 1-(1,2 + Ь2+... + 1Л где 11П - частота каждого аллеля в отдельном локусе. Затем полученные значения усреднялись.
Результаты и обсуждение
1. Идентификация локусов изоферментов
Образцы электрофореграмм аллозимов представлены на рис. 1. Для идентификации локусов использовали литературные данные и характер расположения полос в спектрах изоферментов. Эстеразы у растений обычно контролируются большим числом локусов (до 10-12) и имеют в основном мономерную и лишь иногда димерную структуру. При этом по всем локусам обычно выявляются нуль-аллели. По большинству локусов выявлен множественный аллелизм (Левитес, 1986). При изучении эстераз у пентаплоидного Taraxacum albidum, таксономически близкого объектам нашею исследования, из общей совокупности локусов было идентифицировано четыре. Все эстеразы при этом имели мономерную структуру, один из локусов был мономорфным (Menken, Morita,
и 0.5 1
1.5
г ib
3 'J.i
4
0,0 (!,s 1,0 lí 2fi 25 В 3fl
Л4К
0.0
0.5 i
Est.3. 1.5Í
Est. 2. 2,5 \ б30:
Estl.
---- ---}prxl
2 3 4
6 7 6 9
j- Tii'.3
Tir.l
u,u ',0
2,0 3.0 4.0 Í.O
12 3 4 S 6 7
--- } Sod.3
I I 11 Sod.2.
E - Г } Sod l
1 2 3 4 S 6 7
Рис. I. Образцы электрофореграмм эстеразы (а), пероксидазы (б), супероксид-дисмут-азы (в) и тирозиназы (г) в популяциях Т. officinale
1989). У видов Taraxacum секции Taraxacum (Vulgaria) в эстеразном комплексе также идентифицировано четыре локуса (Estl - Est4). При этом локус Est4 был мономорфным, мономерные эстеразы Estl и Est3 имели активные аллели и нуль-аллель, локус Est2 был представлен тремя аллелями (Ford, Richards, 1985). Исходя из этого, в полученных нами спектрах эстераз в зависимости от видовой принадлежности мы выделили от 8 до 10 локусов эстераз. имеющих мономерную структуру: Т. serotinum - 10 локусов; Т. officinale - 9 локусов; P. echioides -8 локусов; P. officinarum - 10 локусов. Большинство из них представлены множественными и нуль-аллелями. При этом локусы Estl-Est3 представлены наиболее яркими полосами, остальные - проявляются слабо (рис. 1а). Фракции, соответствующие отмеченным трём локусам, совпадают по электрофоретической подвижности с указанными для Т. albidum (Menken, Morita, 1989). В дальнейшем при подсчёте частоты аллелей, а также при определении полиморфизма и гетерозиготности мы учитывали результаты, полученные именно по этим трём локусам эстераз.
По пероксидазам во многих работах отмечено большое число локусов, причём эти ферменты имеют почти исключительно мономерную структуру (Huang et al., 1994). Лишь у некоторых видов покрытосеменных выявлены ди-меры (Левитсс, 1986). На рис. 16 хорошо видно, что спектр пероксидаз иссле-
дованпых нами форм распадается на три блока полос, каждый из которых соответствует отдельному мономерному локусу. Все они содержат множественные и нуль-аллели, причём локус РгхЗ чаще всего представлен четырьмя полосами, a Prxl и Ргх2 - одной или двумя полосами. В анализе полиморфизма и тегеро-зиготности нами используются данные, полученные по локусам Prxl и РгхЗ.
Sod обычно представлена локусами, контролирующими димерные формы фермента. Их, как правило, - три. У ржи один локус контролирует тетрамер-ную форму фермента, остальные - димерные (Левитес, 1986). У Taraxacum ulbidum также идентифицировано три локуса, два из которых (Sodl ; Sod2) были мономорфны, а третий (Sod3) гетерозиготный локус димерной формы фермента с тремя аллелями (Menken, Morita, 1989. Спектры Sod у растений исследованных популяций мы интерпретировали как состоящие из трёх локусов, контролирующих димерную форму фермента. У P. echioides локус Sodl гомозиготен (рис. 1в). В расчётах полиморфизма и гстерозиготности использовали данные по всем локусам Sod.
Tir у Taraxacum lacistophyllum и T. brachyglossum была представлена тремя мономорфными локусами, один из которых был гомозиготным и два - гетерозиготными (Ford, Richards, 1985). Картина спектров изоформ Tir убеждает в том, что у исследованных видов Tir представлена также тремя мономерными локусами. Все локусы имеют множественные и нуль-аллели. В анализе полиморфизма и гетерозиготжкти учитывали данные по всем трём локусам.
Трудные для прочтения локусы, например, контролирующие димерную форму фермента в случае присутствия не одной или трёх, а двух полос, мы объясняли полиплоидпостью форм или наличием нуль-аллелей. Полиплоидия без гибридогенсза, как правило, не изменяет число полос, но существенно влияет на активность ферментов и на интенсивность проявления полос (Левитес, 1986). В части случаев подавление активности ферментов за счёт полиплоидии могло бы ть столь сильным, что при димерной формы фермента, контролируемого локусом, одна из полос не проявлялась. В случаях, когда при димерной форме фермента в локусе вместо трёх полос наблюдали четырс-пять, а при тег-рамерной форме фермента - вместо пяти - шесть, происхождение лишних полос мы объяснили гибридностью полиплоидных растений или наличием у них кроме основных, ещё и мутантных аллелей. Во всех таких случаях полагали, ч то речь может идти только о гетерозиготах. Градацию зон активности но интенсивности проявления на минорные и мажорные в анализе не учитывали, хотя по интенсивности проявления окраски зоны активности различались существенно. Это связано, вероятно, с дозой генов у полиплоидных форм, каковыми в большинстве своём являются исследованные виды.
2. Частота встречаемости и число спектров изозимов в популяциях Taraxacum и Pilosella
lia рис. 2 приведены диафаммы частот встречаемости различных спектров изоферментов. Показано, что наибольшее число спектров эстераз имело место R половой популяции T. serotinum (24 спектра). В апомиктнчной популя-
Рис.2. Частота встречаемое™ и число спектров Sod (А), Ргх (Б), Tir (В), Est (I") в популяциях T.officinale ( 1 ), T.serotinum (2), P.officinarum (3), P.echioides (4). По оси абсцисс - номер спектра, по оси ординат - частота встречаемости спектра, %
ции P. officinarum и и половой популяции P. echioides обнаружено по 21 спектру Est. Наименьшее число спектров выявлено в апомиктичной популяции Т. officinale. Редкие спектры эстераз (с частотой встречаемости ниже 5%) у Т. officinale составляют 35 %, и они отмечены у 15% исследованных в популяции особей. В популяциях остальных грех видов редкие спектры составляют более . 70 % от общего числа спектров эстеразы в популяции. Они отмечены у 20% растений в половых популяциях T. serotinum и P. echioides и всего у 10% растений апомиктичной популяции P. officinarum.
Довольно сходная картина распределения редких спектров наблюдается в популяциях исследованных видов по Sod и Tir. Правда, в отношении тирозина-зы исключением является половая популяция P. echioides, в которой редкие спектры вообще не обнаружены. Редкие спектры пероксидаз в популяциях обоих видов Taraxacum составляют одинаково высокую (около 80%), а в популяциях видов Pilosella - значительно меньшую долю (около 40%). Они отмечены у 17-19% и у 8-15% растений, соответственно.
Таким образом, редкие спектры в исследованных половых популяциях обоих родов в целом составляют большую долю, чем в апомиктичных популяциях. По всем четырём популяциям процент редких изозимных спектров значителен и позволяет говорить о том, что популяции по изозимным спектрам чрезвычайно полиморфны. В среднем на каждый изозимный спектр приходится три-четыре растения в каждой исследованной популяции.
3. Полиморфизм и гетерозиготность в исследованных популяциях
В популяциях половых и апомиктичных форм Taraxacum и Pilosella по результатам исследования 11 локусов ферментов доля полиморфных локусов у Т. officinale, P. officinarum и P. echioides оказалась равной 1.000, у Т. serotinum - 0.875 (табл. 2, 3, 5).
Доля полиморфных локусов, как уже отмечалось, является не очень надёжной мерой генетической изменчивости популяций. Однако, в нашем случае она по всем исследованным популяциям высока. Это свидетельствует в пользу того, что все исследованные популяции как апомиктичных, так и половых видов чрезвычайно полиморфны. Степень их полиморфизма превышает обычно выявляемый полиморфизм в популяциях растений. Известно, что у растений доля полиморфных локусов редко превышает 0.5 (Лйала, Каш-ер, 1988; Лево-нтин, 1978). Чаще же всего она близка к 1/3 (Алтухов, 1989). Однако не исключено, что полученные нами данные по полиморфизму популяций половых и апомиктичных видов Taraxacum и Pilosella завышены по той причипе, что в анализ включено малое число локусов (11 локусов 4-х ферментов), среди которых непропорционально высок процент полиморфных и высоковариабельных. Пероксидазы и эстеразы, в частности, известны как одни из самых полиморфных ферментов (Левитес, 1986). Как правило, достоверными в иопуляционно-генетичсских исследованиях считаются данные, полученные не менее чем но 20 локусам и не менее чем на 100 растениях из каждой популяции (Лйала, Кай-гер, 1988).
Таблица 2. Частота аллелей по 11 аллозимным локусам в популяциях половых и апомиктичных форм Taraxacum
Л оку с Частота аллелей Исследовано растений
A В С D Е F G н
Т. officinale
Prxl 0.796 0.052 0.028 0.124 129
Prx4 0.559 0.441 129
Estl 0.414 0.114 0.100 0.371 35
Kst2 0.115 0.461 0.423 35
Est3 0.205 0.151 0.379 0.068 0.152 0.046 35
Tirl 0.614 0.114 0.272 54
Tir2 0.614 0.114 0.272 54
Tir3 0.355 0.319 0.259 0.067 54
Sodl 0.173 0.212 0.193 0.115 0.038 0.038 0.038 0.193 39
Sod2 0.392 0.102 0.010 0.019 0.445 0.032 39
Sod3 0.200 0.130 0.210 0.460 39
T. serotinum
Prxl 1.000 124
Prx4 0.214 0.153 0.314 0.319 124
Estl 0.487 0.052 0.461 84
Est2 0.103 0.144 0.288 0.103 0.137 0.226 84
Est3 0.205 0.151 0.379 0.068 0.152 0.045 84
Tirl 0.823 0.161 0.016 48
Tir2 0.040 0.100 0.020 0.280 0.100 0.260 0.180 0.020 48
Tir3 0.669 0.138 0.193 48
Sodl 0.141 0.095 0.005 0.126 0.382 0.251 56
Sod2 0.288 0.005 0.137 0.312 0.258 56
Sod3 0.230 0.370 0.050 0.350 56
Таблица 3. Частота аллелей по 11 аллозимным локусам в популяциях половых ___и апомиктичных форм Pilosella______
Локус Частота аллелей Исследовано растений
Л В С D Е F G Н
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P. officinarum
Prxl 0.920 0.067 0.013 112
Prx4 0.626 0.096 0.106 0.172 112
Estl 0.037 0.075 0.047 0.377 0.470 152
Продолжение таблицы
У 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Est2 0.844 0.009 0.150 152
Est3 0.073 0.009 0.579 0.032 0.307 152
Tirl 0.840 0.160 141
Tir2 0.173 0.359 0.141 0.141 0.010 0.032 0.014 0.141 141
Tir3 0.078 0.058 0.055 0.546 0.264 141
Sodl 0.357 0.137 0.006 0.022 0.462 0.016 113
Sod2 0.198 0.275 0.453 0.074 113
Sod3 0.433 0.199 0.122 0.246 113
P. echioides
Prxl 0.714 0.214 0.072 56
Prx4 0.081 0.173 0.428 0.318 56
Estl 0.048 0.315 0.075 0.500 0.062 73
Est2 0.097 0.368 0.083 0.451 73
Est3 0.038 0.392 0.038 0.012 0.155 0.366 73
Tirl 0.882 0.118 34
Tir2 0.467 0.133 0.067 0.033 0.033 0.067 0.100 0.100 34
Tir3 0.031 0.141 0.828 34
Sodl 0.039 0.471 0.059 0.431 68
Sod2 0.430 0.070 0.050 0.400 0.050 68
Sod3 0.238 0.148 0.025 0.110 0.279 0.160 0.040 68
Реальную и ожидаемую частоту гетсрозигот в популяциях половых и апомиктичных видов мы определяли также для 11 локусов (табл. 4). При этом максимальная доля гетерозиготных локусов выявлена в популяции апомиктич-ного вида Т. officinale. Реальная гетерозиготность равнялась 0.641, а ожидаемая - 0.611. В популяции его полового сородича (Т. serotinum) средняя гетерозиготность, как реальная, так и ожидаемая, была несколько ниже (0.547 и 0.579, соответственно). В популяциях полового и апомиктичного видов рода Pilosella гетерозиготность примерно соответствовала таковой в популяции Т. serotinum.
Гак же как и в случае с полиморфностью, доля гетерозиготных локусов в исследованных популяциях оказалась значительно выше среднего уровня гетерозиготности, известного для растений. Средняя гетерозиготность у растений обычно не превышает 0.200 (Айала, Кайгер, 1988), хотя у ржи, например, при анализе по 10 локусам аспартат-аминотрансфераз и эстераз реальная гетерозиготность равнялась 0.405, а ожидаемая по Харди-Вайнбергу - 0.440 (Забродина и др., 1998), т.е. была довольно близкой к уровню данного параметра, выявленного в наших исследованиях.
Исследуемые виды входят в состав соответствующих агамных комплексов. Именно с этим и может быть связана чрезвычайная полиморфность и гетерозиготность популяций, выявленная на уровне аллозимных спектров. Извест-
но, что в агамных комплексах чрезвычайно сложна таксономическая структура. Наши данные говорят в пользу того, ч то сложная картина изменчивости не ограничивается только таксономической сложностью. Чрезвычайный биохимический полиморфизм свидетельствует о сложной структуре самих популяций
Таблица 4. Реальная и ожидаемая (в скобках) частота гстерозигот в популяциях половых и апомикгичных форм Taraxacum и Pilosella
Локус Частота гетерозигот
T. officinale T. serotinum P. offïcinarum P.echioides
Ргх 1 0.240 (0.347) 0.000 (0.000) 0.161 (0.150) 0.571 (0.439)
Ргх 4 0.829 (0.494) 0.718 (0.819) 0.910 (0.558) 0.946 (0.679)
Est 1 0.771 (0.768) 0.922 (0.548) 0.171 (0.633) 0.822 (0.639)
Est 2 0.846 (0.595) 0.466 (0.809) 0.276 (0.266) 0.750 (0.648)
Est 3 0.682 (0.761) 0.405 (0.600) 0.599 (0.159) 0.352 (0.686)
Tir 1 0.318 (0.535) 0.355 (0.297) 0.214 (0.267) 0.235 (0.208)
Tir 2 0.581 (0.537) 0.400 (0.988) 0.261 (0.780) 0.303 (0.746)
Tir 3 0.870 (0.712) 0.667 (0.499) 0.922 (0.620) 0.344 (0.293)
Sodl 0.654 (0.833) 0.407 (0.746) 0.876 (0.640) 0.000 (0.587)
Sod2 1.000 (0.636) 1.000 (0.734) 0.558 (0.674) 1.000 (0.645)
Sod3 0.258 (0.687) 0.678 (0.685) 0.775 (0.698) 0.639 (0.804)
Средняя 0.641 (0.611) 0.547 (0.579) 0.520 (0.495) 0.543 (0.579)
Таблица 5. Генетическая изменчивость локусов Est, Ргх, Sod и Tir в популяциях
исследованных видов
Вид Доля полиморфных локусов Число аллелей на локус I етерозиготность
реальная ожидаемая по Харди-Вайнбергу
T. officinale 1.000 3.630 0.641 0.611
T. serotinum 0.875 4.250 0.547 0.579
P. offïcinarum 1.000 4.380 0.520 0.495
P.echioides LI .000 4.380 0.543 0.579
видов агамного комплекса. Отчасти это связано, вероятно, с высоким уровнем геномной изменчивости и отдалённой гибридизации, обнаруженными ранее в исследованных популяциях (Кашин и др., 2000а, б). Все они, за исключением Т. .чегоНпит, - полиплоиды. Именно с полиплоидной природой апомиктичных форм и может быть связан высокий уровень гетерозиготности. В пользу этого говорит то, что, в частности, у позвоночных (рыбы, амфибии), у полиплоидных форм (Зх-4х) гетерозиготность значительно выше, чем у диплоидных и сравнима с обнаруженной в наших исследованиях (0.30-0.80) (Ба\у1еу, 1987, Межжс-рин, Писанец, 1995). Высокий уровень гетерозиготности обнаружен и у беспозвоночных с апомиктичным типом партеногенеза, в частности, в полиплоидных
(Зх-4х) партеногенетических популяциях долгоносика Otiorrhynehus scaber (Coleóptera) (Суомалайнен и др, 1977). Одни авторы (Dawley, 1987, Межжерин, Писанец, 1995) связывают это с гибридной природой полиплоидов и фиксированной за счёт этого гетерозиготностыо, другие (Суомалайнен и др, 1977) - с мутациошшм процессом. Почти во всех случаях при этом речь идёт об унипа-ренталышх (партеногенетических) видах. Наиболее вероятно, что для эволюции партеногенетических форм важными оказываются оба эти фактора. О вкладе каждого из них на настоящий момент сказать что-либо определённое невозможно. Необходимо проведение специальных исследований для выяснения роли того и другого фактора в обеспечении изменчивости в апомиктичных популяциях.
Таким образом, результаты нашего исследования показали, что популяции апомиктичных форм в агамных комплексах Taraxacum и Pilosella по полиморфизму лишь незначительно уступают популяциям половых видов этих же агамных комплексов. Ранее высокая степень нолиморфности у апомиктичных форм была показана на межпопуляционном уровне (Akhter et al., 1993). В нашей работе показано, что не меньший полиморфизм имеет место и на внутрипопуля-ционном уровне. Этот- вывод перекликается с результатами ряда работ (Ford, Richards, 1985; Yahara et al., 1991).
Апомиктичные формы стали объектом молекулярно-генегических исследований с использованием биохимических маркёров с конца 70-х гг.. Сделать какие-то однозначные выводы по их результатам трудно. Так, в одной из ранних работ (Ford, Richards, 1985) при выявлении характера изозимной изменчивости в популяциях и клонах 10 агамных видов Teraxacum (Asteraceae) на площади 100 м2 по трем генетическим локусам показано, что агамные виды отличались между собой по эстеразной зимограмме, но по зимограммам кислой фосфатазы и тирозиназы не отличались. При этом пять из десяти агамовидов характеризовались и внутривидовой изменчивостью. Более того, даже в потомстве отдельных растений изменчивость по эстеразе в среднем была выше 45%.
Иная картина аллозимной изменчивости была обнаружена у пентаплоид-ного вида Taraxacum albidum, считающегося облигатно апомикгачным. Было изучено 109 растений 12 популяций этого вида по 19 локусам 10 ферментов. Гетерозиготными оказались 84 % локусов. Все образцы имели одинаковое распределение полос по всем 19 локусам, за исключением одного. Этот единственный мутант отличался от остальных растений по одному аллелю одного ло-куса (Menken, Monta, 1989). Авторы вслед за другими исследователями (Мо-motany, 1978; Yamaguchi, 1978; цитир. по: Menken, Morita, 1989) связывают низкую степень изменчивости у данного вида с недавностью и моноклонально-стыо его возникновения. При этом они полагают, что исследованный вид является облигатно апомиктичным.
Т. Яхара с соавт. (Yahara et al., 1991) провели сравнительное исследование степени генетической гетерозиготности (Н) в половых и апомиктичных популяциях F.upatorium altissimum (Asteraceae) по четырем локусам (фосфоглюкои-зомеразы, триозо-фосфатизомсразы, алкогольдегидрогеназы и фосфоглкжому-тазы). Так же как и в более ранних работах (Bayer. Cracoford, 1986; Watano,
Jcoalstri, 1998; Bayer, 1989 и др.; цитир по: Yahara ct al., 1991), у апомиктов была обнаружена в целом более высокая гетсрозигогность, чем у половых форм. Это противоречило теоретическим представлениям о степени гетерозиготности у апомиктичных форм (Мэйнард Смит, 1981.
Ш. Актер с соавторами (Akhler et al., 1993) изучили аллозимную изменчивость в 74 полиплоидных апомиктичных популяциях Taraxacum hondoense северной части острова Хонсю (Япония). Большая часть популяций (94,4%) состояла из триплоидов (2п = 24). Около 42,6% содержали тетраплоиды (2п =32), а пять растений были пентаплоидами (2п = 40). Электрофоретический анализ 6-фосфоглюконатдегидрогеназы растений совокупности всех популяций выявил 12 фенотипов по 4 локусам. Гетерозиготными были 82,4% триплоидов и все тетра- и пентаплоиды. При этом но каждой популяции в среднем элсктрофоре-тически исследовано 7 растений, а кариологически - 3 растения. Обнаружено, что только 5% популяций содержали множественные фенотипы по 6- фосфог-люконатдегидрогеназе. Все из 21 исследованных клонов различались по 3 из 8 изученных локусов (6-фосфоглюконатдегидрогеназе, глютаматоксалоацетат трансферазе и мапатдегидрогеназе), а значительное число клональной изменчивости было обнаружено внутри и между полиплоидными популяциями. Сделан вывод о том, что естественные популяции Т. hondoense когда-то были мо-ноклональными, но позднее стали мультиклональными, состоящими из 2-4-х клонов (Morita, 1994). Исследования Minken ct al. (1995; цит. по: Morita, 1994) с помощью электофореза трех энзимных локусов показали, что у этого вида в иопуляциях триплоидных растений число клонов было ещё более значительным (от 6 до 17 - в каждой популяции).
Таким образом, при всей неоднозначности полученных разными авторами результатов приходится говорить о том, что апомиктичные популяции характеризуются высокой степенью аллозимной изменчивости. Она зависит от времени возникновения и степени облигатности апомиктичных форм. При этом исследованные нами популяции не только апомиктичных, но и половых видов Taraxacum и Pilosella характеризуются высокой долей полиморфных (0.875 -1.000) и гетерозиголшх (реальная гетерозиготность - 0.439-0.642; ожидаемая -0.429-0.701) локусов. Они существенно превосходят средние уровни полн-морфности и гетерозиготности, обнаруженные у растений (0.179-0.511 и 0.058-0.185, соответственно). Это может свидетельствовать о том, что агамные комплексы, к которым относятся исследовапные популяции, характеризуются не только чрезвычайным таксономическим полиморфизмом, но и обладают более сложной генетической структурой как апомиктичных, так и половых популяций, чем популяции видов, не входящих в состав агамных комплексов. Исследованные популяции половых и апомиктичных видов характеризуются большим числом спектров изоформ (более 11 на популяцию), множественным алле-лизмом (средняя частота аллелей - 3.63-4.38, максимальная - 8 на локус). Показано, что в популяциях и половых, и апомиктичных форм Taraxacum и Pilosella высок процент редких (с частотой встречаемости ниже 5 %) спектров по большинству исследованных ферментов (35-80 %). Однако следует отметить,
что сделанные выводы носят предварительный характер, так как изучена нерепрезентативная выборка локусов для каждой популяции.
Тем не менее, это позволяет говорить о том, что априорное представление о том, что генетическое разнообразие у клональных растений, в частности у апомиктов, ниже, чем у половых видов, не соответствует действительности. К такому выводу приводят не только приведённые вьппе данные, но и результаты исследований целого ряда авторов, причём как теоретических (Кашин, 1998), так и морфологических и изозимных (Hilstrand, Roose, 1987; Chapman et al., 2000), а в последнее время - и исследований с использованием различных маркёров ДНК (Widen et al., 1994; Diggle et al., 1998; Witlzell, 1999; Campbell, Alice, Wright, 1999; Larson, 2001). Эти исследования показывают, что бесполые популяции генетически разнообразны, причём во многих случаях - не менее чем половые. Значительный генетический полиморфизм изоферментов обнаружен и в популяциях унипарентальных видов животных - например, у видов Daphnia (Cmstaceae) (Toline, Lindl, 1994; üiessler, 1997), Pycnoscelus (Insecta) (Cade, Parker, 1997), Prionocypris и Candona (Ostracoda) (Little. Heben, 1997), Lacerta (Reptilia) (Murphy et al., 1997; Куприянова, 1999) и др. Это, на наш взгляд, полностью снимает аргументы популяционных биологов (Darlington, 1939; Stebbins, 1950; Mayr, 1970; Grant, 1981; Richards, 1986), приводимые ими в пользу того, что апомиктичные виды являются эволюционными тупиками.
Справедливости ради следует отметить, что в популяциях апомиктичных форм, вероятно, не только выявление доли полиморфных локусов, но и выявление доли гетерозиготных локусов, даёт картину изменчивости, неадекватную реальной. Гетерозиготность у апомиктов является фиксированной как в силу полиплоидности этих форм, так и благодаря самому апомиктичному способу размножения, а потому, скорее веет, не может являться корректным показателем степени полиморфизма апомиктичных популяций. Необходимо найти какой-то более универсальный параметр, адекватно характеризующий биохимическую изменчивость в апомиктичных популяциях. Из использованных нами параметров, вероятно, более адекватно характеризуют изменчивос ть в апомиктичных популяциях число аллозимных спектров и частота редких спектров в популяциях.
Работа выполнена при финансовой поддержки РФФИ Орант № 00-04-49376) и фанта № Е 00-6.0-42 МО РФ по фундаментальным исследованиям в области естественных паук.
Литература
Айала Ф., Кайгер Д. Современная генетика Т.З. М., 1988. 331с.
Алтухов Ю.П. Теистические процессы в популяциях. М., 1989. 326 с.
Гааль Э., Медьеши Г., Верецкеи Л. Электрофорез в разделении биологических макромолекул. М., 1982. 432 с.
Генетика изоферментов / Корочкин Л.И. и др. М., 1977. 275 с.
Глазко В.И., Созинов И.А. Генетика изоферментов животных и растений. Киев, 1993. 528 с.
Грант В. Видообразование у растений. М., 1984. 528с.
Забродина М.В., Силис Д.Я., Хавкин Э.И. Сравнение многолетней и однолетней ржи и их гибридов с номощыо изоферментного анализа // Генетика.
1998. Т. 34. N6. С. 778-787.
Кашин A.C. Половое размножение, агамоспермия и видообразование у цветковых // Журн. общ. биол. 1998. Т. 59. № 2. С. 171—191.
Кашин A.C., Куприянов П.Г. Апомиксис в эволюции цветковых растений: онто-и филогенетические аспекты проблемы. Саратов, 1993. 196 с.
Кашин A.C., Чернышова М.П. Частота апомиксиса в популяциях некоторых видов Taraxacum и Hieracium // Ьот. журн. 1997. Т. 82, N 9. С. 14-24.
Кашин A.C., Залесная C.B., Титовец В.В., Киреев Li.А. Потенциал формообразования агамного комплекса Pilosella. 2. Естественные межвидовые гибриды // Бот. журн. 2000а. Т. 85, № 3. С. 1-13.
Кашин A.C., Залесная C.B., Титовец В.В. Потенциал формообразования агамного комплекса Pilosella. 3. Геномная изменчивость в популяциях и потомстве отдельных растений // Бот. журн. 20006. Т. 85. № 12. С. 13-28.
Кашин A.C., Демочко Ю.А., Мартынова B.C. Кариотипическая изменчивость в популяциях апомиктичных и половых видов агамных комплексов As-teraccae // Ботан. журн. (в печати).
Куприянова JI.A. Генетическое разнообразие гибридных однополых видов и форм рода Lacerta (Lacertidae, Reptilia): его возможные цитогенетичсские механизмы, цитогенетика мейоза природных полиплоидных форм // Цитология.
1999. Т. 41.№ 12. С. 1038-1047.
Левитес Е. В. Генетика изоферментов растений. Новосибирск, 1986. 144 с.
Левонтин. Генетические особенности эволюции. М., 1978. 352 с.
Маурер Г. Диск-электрофорез. Теория и практика электрофореза в полиак-риламидном геле. М., 1971. 247 с.
Межжерин C.B., Писанец Е.М. Генетическая структура и происхож-дсние тетраготоидной жабы Bufo danatensis (Amphibia, Bufonidae) Средней Азии. Биохимический полиморфизм и сравнение уровней гетерозиготности диплоидных видов с тетраплоидным // Генетика. 1995. Т. 31. N 1. С. 43-53.
Мэйнард Смит Дж. Эволюция полового размножения. М-, 1981.
Поддубная-Арнольди В.А. Цитоэбриология покрытосеменных растений. М, 1984. 528 с.
Сарсенбаев К.Н., Беков А.А.-Х., Рахимбаев И.Р. Изоферменты в хсмоси-стематике высших растений. Алма-Ата, 1982. 160 с.
Суомалайнен Е., Саура А., Локки 10. Полиморфизм генов и эвошоция пар-теногенетических насекомых // Проблемы экспериментальной биологии. М., 1977. С. 7-20.
Akhter S., Morita T., Yoshida Y., Clonal diversity in the agamospermous polyploids of Taraxacum hondoense in nortem Honshu, Japan // J. Plant Res. 1993.Vol. 106, P. 167-179.
Bantm J., Matzk F., Dressclhaus T. Tripsacum dactyloides (Poaceae): a natural model system to study parthenogenesis // Sex Plant Rcprod. 2001. Vol. 14. P. 219 -
226.
Bayer R., Ritland K... Purdy B. Evidence of partial apomixis in Antennaria media (Asteraccac: Imdeae) detected by the segregation of genetic markers // Botany. 1990. Vol. 77, №8. P. 1078-1083.
Chapman H.M., Parh D., Oragisie N. Genetic structure and colonizing success of a clonal, weedy specics, Pilosella officinarum (.Asteraceae) II Heredity. 2000. Vol. 84. P. 401-409.
Chapman H.M., Parh D., Oragisie N. Genetic structure and colonizing success of a clonal, weedy species, Pilosella officinarum (Asteraceae) II Heredity. 2000. Vol. 84. P. 401-409.
Darlington C.D. Apomixis: the escape // The evolution of genetic systems. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1939. P. 108-113.
Dawley R.M. Hybridization and polyploidy in a community of three sunfish species (Pisces: Centrarchidae) II Copeia. 1987. N 2. P. 326-335.
Higgle P.K., Lower S., Ranker T.A. Clonal diversity in alpine populations of Polygonum viviparum (Polygonaceae) II Int. J. Plant Sci. 1998. Vol. 159. P. 606-615.
Ellstrand N.C., Roosc M.L. Patterns of genotypic diversity in clonal plant species. // Am. J. Bot. 1987. Vol. 74. P. 123-131.
Ford H., Richards A. J. Jsozyme variation within and between Taraxacum agamospecies in a single locality//Heredity. 1985. Vol. 55. P. 285-291.
Gadc B., Parker E.D. The effect of life cycle stage and genotype on desiccation tolerance in the colonizing parthenogenetic cockroach Pycnoscelus surinamensis and its sexual ancestor P. indicus II J. Evol. Biol. 1997. N 10. P. 479-493.
Giessler S. Analysis of reticulate relationships within the Daphnia longispina species complex. Allozyme phenotype and morphology Hi. Evol. Biol. 1997. Vol. 10. P. 87-105.
Grimanelli D., Leblanc O., Espinosa E., Perotti E., Gonzalez L.D., Savidan Y. Non - Mendclian transmission of apomixes in maixc-Tripsacum hybrids caused by a transmission ratio distortion // Heredity. 1998. Vol. 80, № 1. P. 40 - 47.
Grant V. Plant speciation. 2nd ed. New York, 1981. 563 p.
Grossniklaus U., Noglcr G.A., van Dijk P.J. How to Avoid Sex: The genetic control of gametophytic apomixes//Plant Cell. 2001. Vol. 13. P. 1491-1498.
llorandl E., Jakubowsky G., Dobes C. Isozyme and morphological diversity within apomictic and sexual taxa of the Ranunculus auricomus complex II Plant Syst. Evol. 2001. Vol. 226. P. 165-185.
Huang H., Dane F., Norton J.D. Genetic analysis of 11 polymorphic isozyme loci in chestnuin specics and characterization of chcstnum cultivars by multi-locus allozyme genotypes//J. Am. Soc. Hortic. Sci. 1994. Vol. 119. P. 840-849.
Kindiger B., Dewald C.L. A system for genetic change in apomictic eastern ga-magrass // Crop Sci. 1996. Vol. 36. P. 250-255.
Koltunow A.M., Johnson S.D., Bickncll R.A. Apomixis is not developmentally conserved in related, genetically characterized Hieracium plants of varying ploidy // Sexual Plant Reproduction. 1999. Vol. 12, № 5. P. 253 - 260.
Larson S. R, Waldron B. L., Monscn S. B., et al.. AFLP Variation in Agamo-spermous and Dioccious Bluegrasses of Western North America // Crop Science. 2001. Vol.41. P. 1300-1305.
Little T.J., Hebert P.D.N. Clonal diversity in high arctic ostracodcs //J. Evol. Biol. 1997. Vol. 10. P. 233-252.
Makincn Y., Brewbaker S.L. Isoenzyme patterns Polonica // Physiol. Plantarum. 1967. Vol.14, №1. P. 61-69.
Mayr E. Populations, Species and Evolution. Belknap, Cambridge, MA, 1970.
Menken S.B.J., Morita T. Uniclonal population strukture in the pentaploid obligate agamosperm Taraxacum albidum Dahlst. II Plant Species Biol. 1989. Vol. 4. P. 29-36.
Menken S.B.J., Smit E., Den Nijs H.J.C.M. Genetical population structure in plants: Gene flow between diploid sexual and triploid asexual dandelions (Taraxacum section Ruderalia) 1/ Evolution. 1995. Vol. 49. P. 1108-1118.
Morita T. Phytogeography and spcciation Taraxacum (Asteraceae) in East Asia. II Plant Tax. 1994. Vol. 24, № 3. P. 145-155.
Murphy R.W., Darevsky I.S., MacCulloch R.S., et al. Old age, multiple formations or genetic plasticity? Clonal diversity in the uniparental Caucasian rock lizard, Lacerta Dahli II Genctica. 1997. Vol. 101, №2. P. 125-130.
Noyes D.N., Soltis D.E. Genitypic variation in againospermous Erigeron com-pasitus (Asteraceae) // Amer. J. Bot. 1996. Vol 83. P. 1292-1303.
Nogler G.A. Gametophytic apomixis // Embryology of Angiospenns. Berlin e.a., 1984. P. 475-518.
Richards A.J. Charter 11. Agamospermy // Plant breeding systems. L.: George Allen & Univ., 1986. P. 403-456.
Savidan Y.H. Nature et hercdite de L'apomixie chez Panicum maximum Jacq. II Travaux et documents d L'ORSTOM. 1982. V. 153. P. 3-159.
Schmclzcr G.H., Renno J.-F. Genotypic variation in progeny of the agamic grass complex Pennisetum section Brcvivalvuia in West Africa // Plant Systematics and Evolution. 1999. Vol. 215, N 1-4. P. 71-83.
Stcbbins G.L. Variation and evolution in plants. New York, 1950. 643 p.
Storchova H., Chrtek J., Bartish I.V., et al. Genetic variation in agamospermous taxa of Hicracium sect. Alpina (Compositac) in the Tatiy Mts. (Slovakia) // Plant Systematics and Evolution. 2002. Vol.235, N 1-4. P. 1-17.
Tolinc C.A., Linch M. Mutational divergence of life-history traits in an obligate parthenogen // Genome. 1994. Vol. 37. P. 33-35.
Yahara T., Ito M., Watanabe K. et al. Very low genetic heterozygosities in sexual and agamospermous populations of Eupatorium altissimum (Asteraceaej II Botany. 1991. Vol. 78, № 5. P. 706-710.
Widen B., Cronberg N.. Widen M. Gcnotypic diversity, molecular markers and spatial distribution of genetics in clonal plants, a literature survey // Folia Geobot. Phytotax. 1994. Vol 29. P. 245-263.
Wittzell H. Chloroplast DNA variation and reticulate evolution in sexual and apo mictic sections of dandelions // Molecular Ecology. 1999. Vol. 8, N 12. P. 2023-2035.
