CC BY
58
УДК 575.17: 582.632.2
О ГЕНЕТИЧЕСКОМ РАЗНООБРАЗИИ У ДУБА ЧЕРЕШЧАТОГО ИЗ КРЫМА
© Ю. А. Янбаев1*, А. В. Ивашов2, Н. Н. Редькина1, А. А. Тагирова3, Д. В. Политов4
1Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
2Таврический национальный университет им. В. И. Вернадского Республика Крым, 295007 г. Симферополь, пр. академика Вернадского, 4.
3Башкирский государственный аграрный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34.
С применением вертикального полиакриламидного гель-электрофореза и изоферментов аминопептидаз в качестве генетических маркеров исследовано генетическое разнообразие у дуба черешчатого из Республики Крым. В популяции с крайне низкой популяционной плотностью и численностью особей в локусах Аар-1 и Ар-2 обнаружены 5 аллелей. По числу аллелей на локус изученная выборка не уступает полиморфизму больших по объему популяций в других регионах России. Частоты аллелей дуба с Крымского полуострова лежат в пределах диапазона частот аллелей в дубравах из остальных частей ареала вида или близки к ним. Эти особенности генетической структуры объясняются тем, что наибольшая фрагментация насаждений дуба черешчатого в регионе и сильное уменьшение численности деревьев в древостоях произошли лишь в исторически недавнее время. Прогнозируется, что в сохранившихся в Крыму насаждениях дуба черешчатого в следующих поколениях могут наблюдаться «эффект основателя» и случайные колебания частот аллелей вследствие крайне низкой эффективной численности остатков популяций. На основе полученных результатов рекомендовано создавать лесные культуры дуба черешчатого с использованием смешанных партий семенного материала, собранного в регионе в максимальном числе местообитаний.
Ключевые слова: дуб черешчатый, Крымский полуостров, аллозимные локусы, полиморфизм.
4Институт общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН Россия, 119991 г. Москва, ул. Губкина, 3.
Тел. +7 (34 7) 273 6 7 74 *ЕтаИ: [email protected]
Согласно теоретическим представлениям, микроэволюционные изменения у древесных растений интенсивнее происходят на границах ареалов видов, особенно в малых изолированных популяциях [1]. Дуб черешчатый ^пвгет гвЬыг Ь., Fagaceae) на Крымском полуострове представляет фрагмент ареала, крайне отличающуюся от его основной части по физико-географическим и природно-климатическим условиям. Вид в настоящее время входит с небольшим участием в состав участков леса, изолированных пространством, в основном приурочен к долинам рек северной гряды Крымских гор. Вследствие этого популяционная плотность вида в регионе крайне мала. В связи с этим возникают несколько взаимосвязанных вопросов: в какой степени специфические условия обитания дуба черешчатого полуострова воздействовали на генетическое разнообразие в насаждениях, в какой степени генофонд обеднен из-за низкой эффективной численности популяций, каковы перспективы дуба черешчатого при использовании для лесовосстановления с точки зрения генетики локальных популяций? Ответы на эти вопросы напрямую определяют пути и формы
практического использования генетических ресурсов вида в Республике Крым, могут стать основой для разработки эффективных методов обеспечения селекционного процесса.
Целью данной работы является оценка уровня генетического разнообразия одной из популяций дуба черешчатого Крымского полуострова. В качестве генетических маркеров использованы изофер-менты аминопетидаз, кодируемых наиболее полиморфными для дуба черешчатого локусами Аар-1 и Ар-2 [2]. Полученные результаты были сравнены с полиморфизмом соответствующих локусов дуба черешчатого из 14 популяций Республики Башкортостан, Оренбургской области и Пермского края [3].
Для разделения аллозимов использован по-лиакриламидный гель-электрофорез [4, 5]. Гистохимическое выявление зон ферментативной активности в гелях выполнено по стандартным методикам
[6]. Обозначение ферментов и локусов осуществлено согласно одной из общепринятых номенклатур
[7]. Для сравнения генетической изменчивости популяций использованы число и частота аллелей, определяемые компьютерной программой БЮ8У8-
ISSN 1998-4812
Вестник Башкирского университета. 2014. Т. 19. №4
1209
1 [8]. Детальное описание методов электрофорети-ческого анализа было приведено ранее [9]. Исследованы состав и встречаемость изоферментов аланина-минопептидазы (AAP, E. C. 3.4.11.2.) и лейцинами-нопептидазы (LAP, E. C. 3.4.11.1) - наиболее изменчивых ферментов у дуба черешчатого [3]. Растительный материал (почки) собран в долине р. Салгир вблизи Ботанического сада Таврического национального университета им. В. И. Вернадского и Детского парка г. Симферополя с 6 сохранившихся старовозрастных экземпляров естественного происхождения.
При изучении аминопептидаз объекта исследований установлено, что в гелях окрашивание наблюдается в двух зонах. Область активности в анодной части гелей при их окрашивании с применением субстрата лейцинаминопетидазы состоит из множества полос, вследствие чего генетическая интерпретация электрофореграмм затруднена. Видимо, в данной зоне представлены изоферменты обоих ферментов с перекрывающейся электрофо-ретической подвижностью, контролируемых локу-сами Lap-1 и Aap-1. В то же время окрашивание гелей на аланинаминопептидазу позволяет обнаружить здесь лишь аллозимы локуса Аар-1. В ближайшей к катоду зоне гистохимической активности обнаруживается одинаковый спектр изоферментов при использовании субстратов как аланинамино-пептидазы, так и лейцинаминопептидазы. Из-за этого локус обозначен Ар-2.
В исследованной выборке дуба черешчатого из Крымского полуострова в локусах Аар-1 и Ар-2 обнаружены 5 аллелей. Она по полиморфизму обоих локусов не уступает многим из 14 изученных выборок Южного Урала (Аар-1: в регионе в среднем обнаружены 3.4±0.4 аллеля на локус, с изменениями от
2 до 7; Ар-2: 3.0±0.3, 1-5) или больших по объему популяций (Аар-1: 3.3±0.5, 2-7; Ар-2: 3.3±0.3 (2-5, 30.0%). В целом частоты аллелей дуба черешчатого с Крымского полуострова лежат в пределах диапазона частот, характерных для популяций из Южного Урала (Ар-2) или близки к нему (Aap-1). Утверждение справедливо также при исключении из анализа среди южно-уральской группы краевых географически изолированных насаждений с небольшой численностью деревьев и выборе для сравнения с крымской выборкой лишь больших по объему популяций (табл., вторая колонка).
Выявленные феномены - сравнительно высокий полиморфизм аллозимных локусов в условиях крайне малой эффективной численности популяции и жесткой географической изоляции, близость частот аллелей в крымской выборке и дубравах основной части ареала - можно объяснить следующим образом. Имеются сведения, что в прошлом в долине р. Салгир произрастал дубовый лес долинного типа
[10]. До сих пор в местообитании имеются исследованные нами дубы-великаны, возраст которых достигает 500 лет и которые появились задолго до создания парковых насаждений в г. Симферополе. Наибольшая фрагментация таких насаждений дуба черешчатого и сильное уменьшение численности деревьев могли произойти лишь в исторически недавнее время. По этой причине ныне произрастающие деревья достаточно полно представляют имевшийся ранее генофонд.
Таблица
Частоты аллелей локусов Аар-1 и Ар-2
Аллели Частоты аллелей
Южный Урал Южный Урал1 Крым
Aap-1
1 0-0.094 0-0.071 -
2 0.304-0.833 0.304-0.833 0.250
3 0-0.176 0-0.174 -
4 0-0.147 0-0.087 -
5 0.188-0.543 0.196-0.543 0.750
6 0-0.089 0-0.031 -
7 0-0.018 0-0.018 -
8 0-0.016 0-0.016 Ар-2 -
1 0-0.265 0-0.233 0.083
2 0.467-1.000 0.467-0.848 0.834
3 0-0.109 0-0.109 -
4 0-0.518 0.063-0.300 0.083
5 0-0.094 0-0.016 -
6 0-0.016 0-0.016 -
Примечание: В группе «Южный Урал1» представлены 9 относительно больших по объему популяций дуба черешчатого региона.
В то же время проявление «эффекта основателя» и дрейфа генов [11] нельзя исключить уже в следующем поколении из-за крайне низкой эффективной численности остатков крымских популяций. Нами ранее с применением микросателлитных локусов было показано, что в условиях Южного Урала генетически эффективный поток пыльцы из больших по объему популяций может существенно обогащать генофонд краевых изолированных насаждений дуба черешчатого на дистанциях в десятки километров [12]. В случае с дубом черешчатым из Крыма этот «сценарий», видимо, следует исключить. Дубравы полуострова географически изолированы от основной части ареала вида обширными степными и водными пространствами в сотни километров.
Исходя из данных представленной работы, можно сделать рекомендации для оптимизации ле-сокультурного дела в Республике Крым. Лесные культуры дуба черешчатого в регионе необходимо создавать в сравнительно оптимальных для вида экологических условиях с использованием смешан-
ных партий семян - желудей, собранных в наибольшем числе местообитаний со старовозрастных генетически инвентаризированных деревьев. Это позволит предотвратить деградацию существовавшего ранее генофонда, повысить генетическое разнообразие в создаваемых искусственных «синтетических популяциях» и исключить утерю редких аллелей.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Республики Крым в рамках научного проекта 14-44-01591 р_юг_а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Petit R., Hu F. S., Dick C. W. Forests of the past: a window to future changes // Science. 2008. V. 320. P. 1450-1452.
2. Редькина Н. Н., Муллагулов Р. Ю., Янбаев Ю. А., Деген Б. Высокая пространственная структурированность аллозим-ных генотипов в изолированной популяции дуба черешчатого Quercus robur L. (Fagaceae) // Генетика. 2008. Т. 44. №8. С. 1141-1144.
3. Янбаев Ю. А., Габитова А. А., Боронникова С. В. Экологическая обусловленность межпопуляционной генетической дифференциации дуба черешчатого на Южном Урале // Вестник БГАУ. 2012. №2. С. 63-65.
4. Davis B. J. Disc electrophoresis. II. Methods and application to human serum proteins // Ann. New York Acad. Sci. 1964. V. 121. №2. P. 404-427.
5. Ornstein L. Disc-electrophoresis. I. Background and theory // Ann. New York. Acad. Sci. 1964. V. 121. P. 321-349.
6. Корочкин Л. И., Серов О. Л., Пудовкин А. И. Генетика изо-ферментов. М.: Наука, 1977. 275 с.
7. Prakash S., Lewontin R. C., Hubby J. L. A molecular approach to the study of genetic heterozygosity in natural populations. IV. Patterns of genic variation in central, marginal and isolated populations of Drosophila pseudoobscura // Genetics. 1969. V.61. P. 841-858.
8. Swofford D. L., Selander R. B. BIOSYS-1: a FORTRAN program for the comprehensive analysis of electrophoresis data in population genetics and systematics // J. Heredity. 1981. V.72. P. 281-283.
9. Янбаев Ю. А., Байрамгулов Н. Р., Редькина Н. Н. и др. Меж-популяционная дифференциация родиолы иремельской (Rhodiola iremelica Boriss., Crassulaceae) на Южном Урале // Генетика. 2007. Т. 43. №11. С. 1565-1570.
10. Ена В. Г. Заповедные ландшафты Крыма. Симферополь: Таврия, 1989. 136 с.
11. Wright S. Evolution and the genetics of populations. Genetics and biometric foundations. V. 2: Theory of gene frequencies. University of Chicago Press, Chicago. 1984. 511 р.
12. Bushbom J., Yanbaev Y., Degen B. Efficient long-distance gene flow into an isolated relict oak stand // Journal of Heredity. 2011. V. 102. №4. P. 464-472.
Поступила в редакцию 13.11.2014 г.
ISSN 1998-4812
BeciHHK EamKHpcKoro yHHBepcHTeTa. 2014. T. 19. №4
1211
THE GENETIC DIVERSITY OF THE OAK IN CRIMEA © Y. A. Yanbaev1*, A. V. Ivashov2, N. N. Redkina1, A. A. Tagirova3, D. V. Politov4
'Bashkir State University 32 Zaki Validi St., 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
2Tauride national university of V. Vernadsky 4 Academician Vernadsky Ave., Simferopol, Russia.
3Bashkir State Agrarian University 34 50-letiya Oktyabrya St., 450000 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
4Institute of General Genetics of Russian Academy of Sciences
3 Gubkin St., Moscow, Russia.
Phone: +7 (34 7) 273 6 7 74.
*Email: yanbaev_ua@mail. ru
The genetic diversity of English oak (Quercus robur L., Fagaceae) of the Republic of Crimea was studied by using vertical polyacrylamide gel electrophoresis of isoenzymes as a method and allozymes of aminopeptidases as genetic markers. Five alleles at loci AAP-1 and AP-2 were found in a very small population with a extremely low population density. According to the number of alleles per locus, the studied population is not inferior to the polymorphism of populations with larger sizes in other regions of Russia (the Southern Urals). Allele frequencies of the Crimean stand are within the range of those in oak forests of other parts of the species' range, or close to them. It seems that these features of the genetic structure are due to the fact that the fragmentation of English oak plantations in Crimea and a strong reduction of stands and trees were occurred in historically recent times. It i s predicted that the "founder effect" and random fluctuations of allele frequencies can be observed in next generations due to the extremely low effective population sizes. It is recommended for forestry practices to create new stands by using seed sets from a maximal number of trees and habitats.
Keywords: English oak, Crimean Peninsula, allozyme loci, polymorphism.
Published in Russian. Do not hesitate to contact us at [email protected] if you need translation of the article.
REFERENCES
1. Petit R., Hu F. S., Dick C. W. Science. 2008. Vol. 320. Pp. 1450-1452.
2. Red'kina N. N., Mullagulov R. Yu., Yanbaev Yu. A., Degen B. Genetika. 2008. Vol. 44. No. 8. Pp. 1141-1144.
3. Yanbaev Yu. A., Gabitova A. A., Boronnikova S. V. Vestnik BGAU. 2012. No. 2. Pp. 63-65.
4. Davis B. J. Ann. New York Acad. Sci. 1964. Vol. 121. No. 2. Pp. 404-427.
5. Ornstein L. Ann. New York. Acad. Sci. 1964. Vol. 121. Pp. 321-349.
6. Korochkin L. I., Serov O. L., Pudovkin A. I. Genetika izofermentov [Genetics of Isozymes]. Moscow: Nauka, 1977.
7. Prakash S., Lewontin R. C., Hubby J. L. Genetics. 1969. Vol. 61. Pp. 841-858.
8. Swofford D. L., Selander R. B. J. Heredity. 1981. Vol. 72. Pp. 281-283.
9. Yanbaev Yu. A., Bairamgulov N. R., Red'kina N. N. i dr. Mezhpopulyatsionnaya differentsiatsiya rodioly iremel'skoi (Rhodiola iremelica Boriss., Srassulaceae) na Yuzhnom Urale Genetika. 2007. Vol. 43. No. 11. Pp. 1565-1570.
10. Ena V. G. Zapovednye landshafty Kryma [Protected Landscapes of Crimea]. Simferopol': Tavriya, 1989.
11. Wright S. Evolution and the genetics of populations. Genetics and biometric foundations. Vol. 2: Theory of gene frequencies. University of Chicago Press, Chicago. 1984.
12. Bushbom J., Yanbaev Y., Degen B. Journal of Heredity. 2011. Vol. 102. No. 4. Pp. 464-472.
Received 13.11.2014.
