CC BY
46
УДК 575.17: 582.632.2
О ВЫСОКОМ ГЕНЕТИЧЕСКОМ ПОЛИМОРФИЗМЕ ПОПУЛЯЦИИ ДУБА ЧЕРЕШЧАТОГО НА ЗАПАДНОМ МАКРОСКЛОНЕ ЮЖНОГО УРАЛА
© А. А. Габитова1' 2*, Р. Ю. Янбаев1' 2, Н. Н. Редькина1
1Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
2Башкирский государственный аграрный университет Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34.
Тел. +7 (347) 228 91 77.
*Етай: [email protected].
В пределах всей южно-уральской части ареала дуба черешчатого с использованием алло-зимного и ISSR-анализов проведено сравнительное изучение полиморфизма популяций. Оба метода показали, что наибольшим генетическим полиморфизмом обладает популяция из низкого-рий западного макросклона южно-уральских гор на территории Архангельского лесничества Республики Башкортостан. В изоферментных локусах Skdh-1, Fdh-1, Аар-1, Lap-2 и Dia-1 в ней обнаружены 25 аллелей, что составляет 92.6 % всего аллельного разнообразия дубрав на исследованной территории размером не менее 400 х 700 км. В архангельской популяции с применением 5 праймеров выявлены 55 полиморфных фрагментов ДНК, амплифицированных ISSR-методом (82.1 % от общего полиморфизма вида в регионе). Ее повышенный генетический полиморфизм может определяться историей развития дубрав низкогорий западного макросклона южноуральских гор. Здесь может сохраняться часть генофонда древних неогеновых популяций, переживших плейстоценовые похолодания в рефугиумах Южного Урала. Этот генофонд впоследствии может быть обогащен при пространственной экспансии дуба черешчатого за счет мигрантов из рефугиумов и убежищ Поволжья. К территории Архангельского района, где вид является одним из ключевых компонентов широколиственно-лесной зоны растительности с подзоной широколиственно-хвойных лесов, примыкают другие зоны растительности - бореально-лесная с подзоной южной тайги, бореально-лесная с подзоной сосновых и березовых лесов, широколиственно-лесная с подзоной широколиственных лесов, лесостепная и степная. Каждая из них имеет в своем составе дуб черешчатый, что обеспечивает возможность встречи на стыке зон разнонаправленных генетических потоков. Показана информативность использованных генетических маркеров для выбора охраны объектов сохранения генетического разнообразия вида в регионе в естественной среде и вне природных местообитаний. Полученные результаты могут быть использованы для улучшения лесосеменного дела дуба черешчатого, повышения эффективности искусственного воспроизводства дубрав в регионе.
Ключевые слова: дуб черешчатый, Южный Урал, полиморфизм, ISSR-анализ, электрофорез изоферментов, аллозимные локусы.
Введение
Анализируемые популяции, расположенные на территории размером не менее 400 х 700 км, представ-
На Южном урале во вг°р°м полугодии прошлого ляют дубравы лесостепной (Предуралье), степной (За
века из-за негативного воздействия комплекса климати- уралье, юг Зилаирского плато) и горно-лесной (низко- и
ческих и антропогенных факт°р°в произошла сильная среднегорья южно-уральских хребтов) зон Южного
деградация дубовых древостоев [1]. Для восстановле- Урала [1]
ния дубрав повышения эффективности лесосеменн^1х и в дубовых насаждениях Татышлинского, Баймак-лесокультурных работ с дубом черешчагьм необхо- ского, Инзерского, Архангельского, Уфимского и Ку-дима оценка состояния гено фонда популяций. Эта ра- вандыкского лесничеств Республики Башкортостан и бота позволяет обнаружить объекты с достаточно высо- Оренбургской области на шести пробных площадях ким ш^^кмим при помощи которых будет осу- (условно обозначены Tat, Sib, Inz, Arc, Ufa и Orb, соот-ществляться восстановление генофонда [2]. Теоретиче- ветственно) с 32 деревьев генеративного возраста в каж-ские работы показывают, что число популяций, при по- дом древостое в качестве растительного материала для мощи которых возможно сохранение генофонда, зави- лабораторных анализов были собраны зимние почки сит от уровня их генетического разнообразия. Установ- для лабораторного анализа. Использованные методы ге-лено [3], что отбор всего пяти популяций с относи- нетического анализа были описаны ранее [5, 6]. Для тельно высоким полиморфизмом обеспечивает сохра- оценки генетического разнообразия популяций применение общих аллелей с 90-95 %-ной вероятностью. Вы- нены полиморфные изоферментные локусы Skdh-1, сокое генетическое разнообразие обеспечивает потен- Fdh-1, Aap-1, Lap-2 и Dia-1. Генетический полиморфизм циал для адаптадии к условиям среды, без которой не- оценивался также по полиморфизму участков ДНК, ам-возможно сохранение генетических ресурсов [4]. успех плифицированных методом ISSR-анализа с использовав его выявлении возможен при использовании методов нием праймеров М1 (нуклеотидная последовательность молекулярной биологии и применении информативных 3': (AC)8 CG, длина фрагментов: 200-1800 пн), М3 генетическнх маркеров. ((ACG)8CT, 90-1000), М27 ((GA) 8C, 100-1000), Х1
Целью работы является доказательство того, что к ((CA)6G, 120-1800) и Х11 ((AGC)6G, 120-2200). числу наиболее перспективных объектов для сохранения и использования генофонда дуба черешчатого на Обсуждение результатов Южном Урале можно отнести дубравы низкогорий за- исследования падного макросклона южно-уральских гор на террито- Параметр «число аллелей в аллозимных локусах»
рии Архангельского лесничества Республики Башкор- является низким в выборке Sib (табл. 1) - в ней пред-
тостан. ставлены всего 44.4 % всех обнаруженных аллозимов.
В этой географически изолированной популяции вне
ISSN 1998-4812
Вестник Башкирского университета. 2015. Т. 20. №3
855
восточной границы ареала вида (Баймакский район Башкортостана) в двух имеющихся насаждениях представлены лишь 34 деревьев репродуктивного возраста. Соответственно, относительно низкое аллельное разнообразие может быть следствием крайне низкой численности популяции.
Данные по полиморфизму в других четырех выборках противоречит теоретическим представлениям, что наибольшее генетическое разнообразие складывается в центральных популяциях и снижается на границе ареалов видов. В насаждении Ufa в центре южно-уральской части ареала дуба черешчатого выявлены лишь 37 % имеющихся во всех выборках 27 аллозимов. В то же время показатель выше на южной (Orb, 70.3 %), восточной (Inz, 66.7 %) и северной (Tat, 59.3 %) границах ареала вида. В насаждении Arc обнаружены 25 аллелей изоферментных локусов, что составляет 92.6 % всего аллельного разнообразия дубрав на обширной территории - размером не менее 400 х 700 км.
Таблица 1
Полиморфизм аллозимных локусов _
Аллозим- Число полиморфных
ные ло- фрагментов ДНК Всего
кусы Arc Orb Ufa Tat Sib Inz
Skdh-1 3 2 2 3 2 3 3
Fdh-1 5 3 2 2 3 4 4
Aap-1 7 6 2 3 4 5 9
Lap-2 5 2 2 3 2 3 5
Dia-1 5 6 2 5 1 3 6
Всего 25 19 10 16 12 18 27
Данные по 67 амплифицированным полиморфным ISSR-фрагментам ДНК (табл. 2) подтвердили в целом результаты, полученные для аллозимных локусов. Наименьший полиморфизм снова показан для зауральских дубрав Sib (здесь обнаружены 43.3 % фрагментов, имеющихся в шести рассмотренных выборках). В географически краевых насаждениях Orb, Inz и Tat представлена достаточно высокая часть (58.2-68.7 %%) общего полиморфизма популяций, сопоставимой или превышающей разнообразие ISSR-фрагментов в дубраве в Уфимском лесничестве (65.6 %). А в выборке Arc выявлено наибольшее число (55) полиморфных фрагментов ДНК - 82.1 % от общего полиморфизма использованных маркеров.
Таблица 2
Число фрагментов ДНК, амплифицированных ISSR-_методом_
ISSR- Число полиморфных Всег о
прай- фрагментов ДНК
меры Arc Ort | Ufa Tat Sib Inz
М1 15 9 9 12 8 8 16
М3 7 10 10 7 5 7 13
М27 10 5 7 7 6 5 11
Х1 12 13 9 7 8 10 14
Х11 11 9 9 6 2 9 13
Всего 55 46 44 39 29 39 67
Повышенный генетический полиморфизм архангельской популяции из низкогорий западного макро-
склона южно-уральских гор может определяться историей ее развития. Здесь может сохраняться часть генофонда древних неогеновых популяций, переживших плейстоценовые похолодания в рефугиумах Южного Урала [1]. Этот генофонд впоследствии может быть обогащен при пространственной экспансии дуба черешчатого за счет мигрантов из рефугиумов и убежищ Поволжья [7]. К территории Архангельского района, где вид является одним из ключевых компонентов широколиственно-лесной зоны растительности с подзоной широколиственно-хвойных лесов, примыкают другие зоны растительности - бореально-лесная с подзоной южной тайги, бореально-лесная с подзоной сосновых и березовых лесов, широколиственно-лесная с подзоной широколиственных лесов, лесостепная и степная. Каждая из них имеет в своем составе дуб черешчатый, что обеспечивает возможность встречи на стыке зон разнонаправленных генетических потоков.
Выводы
В работе показана информативность использованных генетических маркеров для выбора охраны объектов сохранения и использования генетического разнообразия дуба черешчатого на Южном Урале в есит и вне природных местообитаний. К их может быть отнесена архангельская и, возможно, другие популяции из низко-горий западного макросклона южно-уральских гор со сравнительно богатым генофондом. Создание здесь генетического резервата и использование его генетических ресурсов может быть полезно для улучшения ле-сосеменного дела дуба черешчатого на Южном Урале, повышения эффективности искусственного воспроизводства лесов в регионе.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов 12-04-97047 и 14-44-01591 р_юг_а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Попов Г. В. Леса Башкирии. Уфа, Башк. кн. изд-во, 1980. 144 с.
2. Heywood V. H. The conservation of genetic and chemical diversity in medicinal and aromatic plants. Biomolecular aspects of biodiversity and innovative utilization: proceedings of the third IUPAC, Turkey. Kluwer Academic/Plenum Publishers, London, UK. 2002.
3. Brown A. H. D., Briggs J. D. Sampling strategies for genetic variation in ex situ collections of endangered plant species. Genetics and conservation of rare plants. Oxford University Press, New York, USA. 1991. Р. 99-119.
4. Gregorius H. R. The attribution of phenotypic variation to genetic or environmental variation in ecological studies // Genetic effects of air pollutants in forest tree populations / F. Scholz, H.-R. Gregorius, D. Rudin (Eds.). Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 1989. P. 3-15.
5. 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.
6. Бушбом Ю., Янбаев Ю. А., Деген Б., Габитова А. А. Динамика генетического разнообразия во времени в изолированной популяции дуба черешчатого Quercus robur L. (Fagaceae) // Генетика. 2012. Т. 48. № 1. С. 135-137.
7. Семериков Л. Ф. Популяционная структура дуба черешчатого (Quercus robur L.) // Исследование форм внутривидовой изменчивости растений. Москва, Наука. 1981. С. 25-51.
Поступила в редакцию 28.08.2015 г.
HIGH GENETIC POLYMORPHISM IN A POPULATION OF THE ENGLISH OAK IN THE LOWLANDS OF WESTERN URAL'S MACRO-SLOPE
© A. A. Gabitova1'2*, R. Yu. Yanbaev12, N. N. Redkina1
1Bashkir State University 32 Zaki Validi St., 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
2Bashkir State Agrarian University 34 50-letiya Oktyabrya St., 450054 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
Phone: +7 (347) 228 91 77.
*Email: [email protected]
A comparative study of polymorphism of populations of English oak within the South-Ural part of the area of distribution was carried out by using allozymes and ISSR analyses. Both methods showed that the genetic polymorphism is the largest level in the lowlands of western macro-slope of the mountains (Arkhangelsk forest district, the Republic of Bashkortostan). 25 alleles were found in isozyme loci Skdh-1, Fdh-1, Aap-1, Lap-2 and Dia-1 representing 92.6% of the total allelic diversity in oak forests of the area about 400x700 km. In this population, 55 polymorphic DNA fragments were detected (82.1% of the regional polymorphism) by using 5 ISSR primers. Relatively high genetic polymorphism can be explained by the history of oak stands in lowlands of the western Ural's macro -slope. A gene pool of ancient neogene refugia oak populations after Pleistocene cold spells can be presented there. The genetic variability can be increased at times of spatial oak expansion from Volga refuges. The territory of the Arkhangelsk region, where the species is one of key components of broad-leaved forest zone, is adjacent to zone of broad-leaved-coniferous forests with subzone of the southern taiga, zone of boreal forests with subzone of pine and birch stands, zone of broad-leaved forests with subzone of deciduous stands, forest-steppe zone and steppes. Each of the zones includes English oak, which provides an opportunity to have powerful gene flow in territories of junction. It was shown that the used genetic markers are informative to select objects of regional genetic conservation in situ. The results also are useful to improve seed farming of the species and to increase efficiency of artificial reproduction of oak forests in the region.
Keywords: English oak, the Southern Urals, polymorphism, ISSR-analysis, electrophoresis, isozymes, allozyme loci.
Published in Russian. Do not hesitate to contact us at [email protected] if you need translation of the article.
REFERENCES
1. Popov G. V. Lesa Bashkirii [Forests of Bashkiria]. Ufa, Bashk. kn. izd-vo, 1980.
2. Heywood V. H. The conservation of genetic and chemical diversity in medicinal and aromatic plants. Biomolecular aspects of biodiversity and innovative utilization: proceedings of the third IUPAC, Turkey. Kluwer Academic/Plenum Publishers, London, UK. 2002.
3. Brown A. H. D., Briggs J. D. Sampling strategies for genetic variation in ex situ collections of endangered plant species. Genetics and conservation of rare plants. Oxford University Press, New York, USA. 1991. Pp. 99-119.
4. Gregorius H. R. Genetic effects of air pollutants in forest tree populations / F. Scholz, H.-R. Gregorius, D. Rudin (Eds.). Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 1989. Pp. 3-15.
5. Yanbaev Yu. A., Gabitova A. A., Boronnikova S. V. Vestnik BGAU. 2012. No. 2. Pp. 63-65.
6. Bushbom Yu., Yanbaev Yu. A., Degen B., Gabitova A. A. Genetika. 2012. Vol. 48. No. 1. Pp. 135-137.
7. Semerikov L. F. Issledovanie form vnutrividovoi izmenchivosti rastenii. Moscow: Nauka. 1981. Pp. 25-51.
Received 28.08.2015.
