CC BY
11УДК 630*165.3
О.Ю. Баранов, Д.И. Каган, В.Е. Падутов
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ И УРОВЕНЬ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПОПУЛЯЦИЙ ЛЕСНЫХ ДРЕВЕСНЫХ ВИДОВ
Институт леса НАН Беларуси 246001, Республика Беларусь, г. Гомель ул. Пролетарская 71; e-mail: betula-belarus@mail.ru
В статье, на примере основных лесных древесных видов Беларуси, рассмотрено влияние различных факторов (размер и структура ареала; наличие географических и репродуктивных барьеров, препятствующих обмену генетическим материалом между насаждениями; интрогрессивная гибридизация; наличие антропогенных и биотических факторов, приводящих к резкому колебанию эффективной численности популяций; особенности размножения и организации генома) на формирование генетической структуры и уровня генетической изменчивости популяций.
Ключевые слова: популяционно-генетическая структура, генетическая изменчивость, ДНК-маркеры.
Введение
Генетические процессы, протекающие в популяциях различных живых организмов, обусловлены биологическими характеристиками видов, включая взаимодействие отдельных индивидов и их сообществ с факторами внешней среды, и являются основой для формирования адаптационного потенциала, определяя направленность микроэволюционных изменений.
Среди основных специфических характеристик лесных древесных видов растений следует отметить: длительность жизненного цикла, доминирующую роль в биоценозах, эволюционные и исторические аспекты, связанные с генезисом и миграционными процессами популяций, наличие древостоев как естественного, так и искусственного происхождения, превалирование панмиксии в популяциях, доминирование абиотических факторов в формировании и функционировании фитоценозов и др. [1]. Среди потенциальных факторов, способных прямым или косвенным образом оказывать влияние на популяционно-генетическую структуру лесных древесных видов, можно выделить следующие: размер, форма и внутренняя структура ареала; наличие географических, физиологических и прочих барьеров, препятствующих обмену генетическим материалом между насаждениями; интрогрессивная гибридизация; негативные
антропогенные и биотические факторы, приводящие к резкому колебанию эффективной численности популяций; особенности размножения и организации генома [2].
В ходе исследований нами было проведено изучение влияния различных факторов и биологических особенностей на формирование популяционно-генетической структуры и значение основных параметров, характеризующих уровень генетической изменчивости лесных древесных растений.
Материалы и методы
Материал для популяционно-генетических исследований был собран в естественных и искусственных насаждениях основных древесных пород Беларуси на протяжении 20012015 гг. В ходе работы были использованы различные методы ДНК-маркирования, согласно [3]. Для оценки основных параметров, описывающих генетическую структуру, уровень изменчивости, степень подразделенности и дифференциации генетического полиморфизма, использован ряд статистических показателей, описанных ранее [4].
Результаты и обсуждение
В качестве модельных видов для изучения влияния структуры ареала были выбраны береза повислая (Betulapendula) и береза карликовая (Betula nana). Повислоберезовые леса
широко распространены на территории Беларуси и составляют 11,9% от лесопокрытой площади страны. При этом представленность повислоберезовых фитоценозов в различных частях Беларуси является однородной, в том числе и в разрезе геоботанических подзон [5]. В то же время ареал березы карликовой на территории Беларуси представлен редкими островными насаждениями, произрастающими преимущественно на сфагновых болотах в северной части страны. При этом следует отметить, что береза карликовая является в Беларуси эндемиком, реликтом ледниковой эпохи, и происхождение островных популяций B. nana в основном связано не с их формированием из ограниченного числа родительских растений, а с сокращением и фрагментацией ранее сплошного ареала березы карликовой на территории страны в постледниковый период [6].
Анализ уровня генетической дифференциации среди популяций показал, что значение коэффициента DN для белорусских насаждений березы повислой варьировало от 0,005 до 0,019 (RAPD-анализ), составляя в среднем 0,009. В то же время для B. nana показатель Dn был выше (0,01-0,025 (0,014)), что указывает на большую индивидуальность генетической структуры островных популяций и относительно низкую интенсивность генного потока между ними. Величина коэффициента подразделенности GST между насаждениями березы повислой (0,045) была ниже аналогичного показателя, вычисленного для березы карликовой (0,067), что в свою очередь тоже указывает на более высокий уровень межпопуляционных различий, выявляемых у B. nana. Полученные данные об уровне подразделенности и дифференциации, по всей видимости, связаны с превалированием генетико-автоматических процессов в популяциях с низкой эффективной численностью (B. nana), что в сочетании с факторами изоляции (географическим барьером) приводит к усилению межпопуляционной генетической разнородности [7].
Одновременно с этим, некоторые древостои видов со сплошным ареалом также могут характеризоваться значительной степенью меж-популяционной дифференциации. Наличие высокого уровня генотипических различий
между насаждениями данных видов в ряде случаев может быть связано с периодическим колебаниями численности индивидов и «эффектом основателя», имевших место в ходе исторического генезиса популяций.
Так, в ходе SSRP-анализа шести географически удаленных искусственных древостоев сосны обыкновенной (Pinus sylvestris), представляющих собой полусибсовое потомство от двух плюсовых деревьев (№ 462 и № 479), выращиваемых в трех различных опытных объектах, были определены параметры, характеризующие популяционно-генетическую структуру. Несмотря на умеренные различия уровня генетической изменчивости (<10% от величины параметров), группы древостоев, принадлежащие к разным семьям, характеризовались специфическими особенностями генетической структуры. Так, уровень генетической дифференциации DN между семьями составил 0,2, что в 8-10 раз превышало аналогичный показатель, рассчитанный для географически изолированных выборок, но относящихся к тому или иному полусибсово-му потомству - 0,02-0,025 [8].
Аналогичные процессы, связанные с «эффектом основателя», а также превалирующим участием определенных генотипов для воспроизводства структуры популяции, могут наблюдаться при анализе насаждений, произрастающих в различных типах экологических условий.
В качестве модельных объектов были выбраны популяции сосны обыкновенной (P sylvestris), произрастающих в альтернативных условиях гидрологического режима, в частности - суходольных и болотных насаждений. Проведенное изучение параметра подразделенности GST среди изученных выборок показало значительное варьирование значений среди используемых RAPD-локусов [9]. Исходя из полученных результатов, для дальнейшего анализа межпопуляционных различий были выбраны локусы, характеризующиеся высоким уровнем показателя GST -Oligo 6-1, Oligo 6-3, Oligo 9-1, Oligo 8-2, Oligo 26-1, Oligo 6-2 [9]. Сравнение коэффициентов генетической дистанции Неи, рассчитанных на основании изучения частот встречаемости аллельных вариантов для каждого из выбранных локусов по отдельности, для большинства маркеров (Oligo 6-1, Oligo 6-3, Oligo
9-1, О^о 8-2 и О^о 6-2) не выявило существенных различий между болотными и суходольными насаждениями = 0,032) [7, 9]. В то же время при анализе уровня генетической дифференциации по локусу О^о 26-1, было установлено наличие существенных отличий между популяциями, различающихся условиями произрастания. Так, величина DN между экотипами в 15-18 раз превышала аналогичный показатель, выявленный среди насаждений со сходным типом гидрологического режима.
Таким образом, проведенное изучение генетических структур суходольных и болотных насаждений в целом не выявило существенных изменений в геноме деревьев сосны обыкновенной из различных условий местопроизрастания. Тем не менее, по ряду маркеров были выявлены достоверные различия между данными типами насаждений, что по всей видимости указывает на наличие ограниченного числа генов, детерминирующих приспособленность к условиям гидрологического режима. Уровень выявленных различий по диагностическим RAPD-маркерам не являлся абсолютным, что указывает на отсутствие прямой взаимосвязи между конкретными данными локусами и приспособленностью к типу условий произрастания (степени увлажненности). По всей видимости, данные локусы следует рассматривать как генетические маркеры, находящиеся в группе сцепления с генами, отвечающими за приспособление к степени увлажненности [3].
Аналогичные результаты были получены при сравнении суходольных и пойменных популяций дуба черешчатого ^ивтст гоЬиг). Коэффициент генетической дистанции между суходольными и пойменными насаждениями по отдельным локусам составил 0,09, что в два раза превысило значения DN между различными популяциями суходольных дубрав (0,04) и в полтора раза - между популяциями пойменных дубрав (0,06). Полученные данные для дуба черешчатого также подтверждают отсутствие существенных геномных различий между различными экологическими формами [7].
Генный поток является одним из ведущих факторов, направленных на снижение уровня межпопуляционной дифференциации и под-
разделенности. По литературным данным, интенсивность генного потока, превышающая одного мигранта на поколение, является достаточной для нивелирования процессов дрейфа генов [10]. Оценка влияния интенсивности генного потока на популяционно-генетическую структуру лесных древесных видов была изучена на основании анализа гаплотипической структуры насаждений с использованием маркерных локусов хло-ропластной ДНК. В качестве исследуемых видов были выбраны дуб черешчатый, ель европейская (Picea abies) и сосна обыкновенная. Выбор данных видов был связан со следующими биологическими особенностями: установлено, что у покрытосеменных растений (дуб черешчатый) хлДНК преимущественно наследуется по материнской линии и распространение гаплотипов происходит посредством разноса семян, у голосеменных растений (сосна обыкновенная, ель европейская) - по отцовской линии - распространение гаплотипов осуществляется за счет разлета пыльцы [3]. Отличительной характеристикой эффективности расселения пыльцы и семян является дальность — данный показатель пыльцы на несколько порядков превышает аналогичный параметр для семян (плодов) и в особенности для (желудей) дуба [11].
Анализ хлоропластной ДНК дуба черешчатого с использованием шести микроса-теллитных маркеров (pcd4, ^cd5, ^kk4, pdtl, ¡udt3, ^dt4) позволил выявить на территории Беларуси 18 различных аллельных вариантов, образующих 17 различных гаплотипов (комбинаций). При этом, пять из них являлись доминирующими (долевое участие в составе дубрав варьирует от 7% до 48%), остальные 12 обнаружены на ограниченных территориях (табл. 1). Важным моментом, связанным с особенностями распределения гаплотипов на изученной территории, является их групповой характер, с формированием выраженных границ областей распространения. Кроме того, в большинстве изученных насаждений дуба черешчатого, находящихся в зоне перекрытия областей распространения, количество выявляемых гаплотипов в пределах популяции не превышало двух [7].
Таблица 1
Долевое участие гаплотипов дуба черешчатого на территории Беларуси, %
Обозначение гаплотипа Область Республика Беларусь
Брестская Витебская Гомельская Гродненская Минская Могилевская
№ 1 26 46 60 20 53 62 48
№ 2 - - 14 - 4 28 7
№ 3 22 - 6 13 31 5 11
№ 7 22 13 4 27 8 - 10
№ 8 17 33 - 13 - - 9
Остальные 13 (2*) 8(2*) 16 (4*) 27 (4*) 4 (1*) 5 (1*) 15 (12*)
* - количество редких гаплотипов, выявленных на исследуемой территории
Анализ распределения гаплотипов хлДНК для ели европейской и сосны обыкновенной отличался от описанной структуры, выявленной для дуба черешчатого.
Так, микросателлитный анализ трех локу-сов хлДНК P. аbies, даже в пределах только одного естественного насаждения (Прошков-ское лесничество, Двинская экспериментальная лесная база), позволил диагностировать пять вариантов гаплотипов (A, B, C, D, E). Изучение смежного искусственного насаждения (быстрорастущие лесные культуры, созданные заслуженным лесоводом Беларуси Е.Г. Орленко) показал наличие только трех вариантов гаплотипов (A, B, C). При этом быстрорастущие формы (серия Ор) в 70% случаях были представлены гаплотипом А хлДНК, в то же время встречаемость данного гаплотипа в природном насаждении не превышала 13%. Различия в частотах встречаемости и отсутствие гаплотипов D и E у быстрорастущих форм, по всей видимости, связаны с ограниченным числом отцовских особей, участвовавших в опылении, и низкой частотой встречаемости данных гаплотипов в природных популяциях [12].
В ходе изучения генетической структуры деревьев сосны обыкновенной из 20 географически удаленных насаждений по шести SSR-локусам хлоропластной ДНК (PCP 1289, PCP 87314, PCP 71987, PCP 30277, PCP 26106, PCP 4507) был выявлен 31 аллельный вариант. При этом среди проанализированных локусов у пяти (PCP 1289; PCP 87314; PCP 71987; PCP 26106, PCP 4507) в изученных популяциях доминировал один аллельный вариант (частота
встречаемости 60-80%), для локуса PCP 30277 частота основного аллеля не превысила 45% [13, 14].
В то же время, следует отметить, что анализ гаплотипического разнообразия хлДНК деревьев сосны обыкновенной показал, что в исследуемых популяциях было идентифицировано 116 комбинаций гаплотипов, большинство из которых (63%) были уникальными для насаждения и имели частоту встречаемости в отдельно взятых популяциях менее 5%. Оставшаяся часть хлоротипов была представлена в изучаемой выборке в большем количестве, но не превышающем 15%. При этом одинаковые варианты встречались у деревьев, как из одного, так и из разных насаждений. Также следует особо подчеркнуть, что каждая популяция характеризовалась сложной гаплотипической структурой - было диагностировано наличие от 6 до 11 вариантов одновременно [13].
Важной особенностью гаплотипической структуры сосновых насаждений являлось отсутствие доминирующих хлоротипов. Так, средняя частота встречаемости наиболее распространенного варианта, в среднем по всем насаждениям, не превысила 9%. Представленность остальных вариантов гаплотипов была ниже 5%. Проведенный анализ географической изменчивости в большинстве случаев выявил дисперсное распределение для всех вариантов гаплотипов хлДНК в изученной части ареала P. sylvestris [14].
Кроме изучения хлоропластной ДНК, для хвойных видов была дополнительно изучена популяционно-генетическая структура с использованием митохондриальных маркеров.
В отличие от хлоропластной ДНК, митохон-дриальный геном передается у хвойных по материнской линии и связан с распространением семян. Анализ локуса тШ-002 Р. abies выявил в Беларуси только два основных гаплотипа, при этом альтернативный гаплотип был обнаружен исключительно в юго-западном регионе республики [7]. В целом характер распределения гаплотипов мтДНК ели европейской совпадал данными, полученными для хлДНК дуба, что указывает на сходство процессов формирования популяционно-генетической структуры для локу-сов, характеризующихся материнским наследованием и связанных с распространением семян: низкий уровень гаплотипического разнообразия популяций, групповой характер географического распределения гаплотипов, с формированием выраженных границ областей распространения, ограниченное число комбинаций гаплотипов вследствие отсутствия рекомбинации.
Таким образом, по результатам проведенных исследований, нами установлено, что генный поток, осуществляемый через миграцию пыльцы, вносит более существенный вклад в обмен генетическим материалом между насаждениями и нивелированием уровня межпо-пуляционных различий, по сравнению с распространением наследственной информации через семенное потомство.
Интрогрессивная гибридизация также может оказывать влияние на формирование особенности генотипической структуры популяций. Так, отсутствие строгой репродуктивной изоляции между симпатрическими видами Q. гоЬиг и Q. ре^аеа, наряду с интенсивным пыльцевым потоком, зачастую приводит к образованию фертильных межвидовых гибридов и появлению в ходе дальнейших скрещиваний различных вариантов гибридного потомства [15]. В ходе исследований с использованием SSR-маркеров проведена сравнительная оценка генетической структуры потомства, получаемого при различных вариантах скрещивания Q. гоЬиг и Q. ре^аеа. Полученные результаты кластеризации групп по уровню генетического сходства выявили соответствие с биологическими особенностями каждого из типов (по происхождению) потомства, что указывает на формирование различных гено-типических вариаций, отличных от исходных видовых форм [16].
Сходные процессы межвидового потока генов выявлены и для симпатрических видов берез B. pendula (диплоид) и B. pubescens (те-траплоид). В ходе анализа видовой структуры смешанных насаждений березы повислой и березы пушистой с использованием SSR-маркеров в структуре древостоев выявлены гибридные растения, имеющие триплоидный набор хромосом [6]. Частота встречаемости межвидовых гибридов варьировала среди насаждений, что может быть связано с различиями по долевому участию B. pendula и B. pubescens, фенологическими и репродуктивными особенностями генотипов [17]. Проведенное рядом авторов изучение способности межвидовых гибридов B. pendula х B. pubescens к плодоношению и образованию пыльцы показало пониженную фертильность или ее полное отсутствие. Исходя из этого, эффективная численность популяции при совместном произрастании березы повислой и березы пушистой зачастую является ниже расчетной, что, по всей видимости, может оказывать определенное влияние на формирование популяционно-генетической структуры [3]. Наличие генного потока между видами подтверждается выявлением в популяциях каждого из видов нехарактерных для них аллельных вариантов [18].
Кроме прямого влияния на уровень меж-популяционных различий, трансформация генетической структуры, как было показано различными авторами, в большинстве случаев оказывает воздействие на уровень генетической изменчивости, что связано с изменением параметров аллельного и генотипического разнообразия, количественного соотношения генотипов, представленных в гомозиготной и гетерозиготной форме и др. [1, 2]. Исходя из этого, на следующем этапе исследования было изучено опосредованное (через изменение генетической структуры) воздействие большинства изученных ранее факторов на уровень генетического полиморфизма насаждений.
Так, для проведения сравнительного анализа популяций видов, характеризующихся различиями по структуре и размеру ареала, были использованы усредненные значения основных показателей генетического полиморфизма белорусских насаждений B. nana и B. pendula (табл. 2).
Таблица 2
Усредненные значения основных показателей генетического полиморфизма для белорусских популяций березы повислой и березы карликовой (RAPD-анализ)
Виды Доля полимор( >ных локусов Число аллелей Ожидаемая гетерозиготность Н е
95% 99% >0% >1%
Б. pendula 0,560 0,910 2,000 2,000 0,161
Б. папа 0,295 0,442 1,842 1,842 0,098
Как следует из таблицы, значения всех рассчитанных показателей генетического полиморфизма для популяций березы повислой характеризовались большими величинами, по сравнению с данными, установленными для березы карликовой. Таким образом, полученные результаты указывают на усиление процессов дрейфа генов и потери генетического разнообразия для насаждений березы карликовой, вследствие уменьшения эффективной численности популяций в сочетании со снижением уровня обмена генетической информации между ними [7].
Интересными оказались результаты сравнения показателей генетического разнообразия популяций березы пушистой и березы повислой (табл. 3). Данные виды характеризуются значительным морфологическим сходством, однако они различаются по пло-идности. Поэтому одна из задач данного исследования заключалась в изучении влияния изменения плоидности на показатели гене-
тической изменчивости популяций. Установлено, что у березы пушистой (тетраплоид) не произошло увеличения значения показателя числа аллелей (RAPD-анализ), а сами аллели являлись сходными с вариантами, найденными у березы повислой. В то же время усредненный для исследованных популяций показатель ожидаемой гетерозиготности, с использованием набора RAPD-локусов, для березы пушистой составил 40,2%. Таким образом, удвоение числа хромосом у березы пушистой более, чем в два раза увеличило долю генов, представленных у одного растения различными аллельными вариантами (табл. 3).
В ходе оценки влияния условий произрастания на уровень генетического полиморфизма был проведен сравнительный анализ параметров изменчивости экологических форм дуба черешчатого (пойменный и суходольный эко-типы). Результаты исследований представлены в табл. 4.
Таблица 3
Виды Доля полиморф ных локусов Число аллелей Ожидаемая гетерозиготность Н е
95% 99% >0% >1%
Б. pendula 0,560 0,910 2,000 2,000 0,161
Б. риЬе&сет 0,700 0,778 2,000 2,000 0,402
Таблица 4
Сравнительная характеристика генетических параметров пойменного и суходольного экотипов дуба черешчатого на основе RAPD-маркеров
Показатель Пойменный экотип Суходольный экотип
Доля полиморфных локусов (Р95) 1,00 1,00
Среднее число аллелей на локус (А) 2,000 2,000
Усредненные значения основных показателей генетического полиморфизма для белорусских насаждений березы повислой и березы пушистой (RAPD-анализ)
Продолжение табл. 4
Показатель Пойменный экотип Суходольный экотип
Эффективное число аллелей (пе) 1,581 1,572
Ожидаемая гетерозиготность (Не) 0,347 0,338
Внутрипопуляционная генетическая изменчивость (Н3) 0,324 0,314
Как следует из табл. 4, средние значения показателей доли полиморфных локусов и среднего числа аллелей на локус для обоих экотипов составили 1,00 и 2,00, соответственно. Эффективное число аллелей в пойменных популяциях в среднем равнялось 1,58, в суходольных - 1,57. Средний уровень ожидаемой гетерозиготности в пойменных и суходольных насаждениях составил 0,347 и 0,338, соответственно. Таким образом, исходя из полученных данных, достоверной взаимосвязи между общим уровнем генетического полиморфизма и экологическими условиями произрастания выявлено не было [7].
Аналогичные результаты были получены для суходольных и болотных насаждений сосны обыкновенной - межпопуляционные различия для большинства рассчитанных параметров полиморфизма находились в пределах, выявленных между экологическими формами [7]. В среднем значение доли полиморфных локусов составило 0,052±0,009, среднего числа аллелей на локус - 1,52±0,15, ожидаемой гетерозиготности - 0,234±0,022.
Таким образом, проведенное сравнительное изучение уровня генетической изменчивости популяций древесных видов, произрастающих в различных экологических условиях, не выявило существенных различий, что также подтверждает предположение о наличии ограниченного числа генов, детерминирующих приспособленность к почвенно-гидрологическому режиму. В то же время установленные рядом авторов особенности характера генетического полиморфизма для некоторых экологических условий местопроизрастания популяций, по всей видимости, могут быть связаны с действием некоторых сторонних факторов, а не ассоциированы с формированием адаптивного уровня изменчивости [3].
Исследование влияния процессов интро-грессивной гибридизации на уровень генетической изменчивости выявило ряд аспектов,
связанных с репродуктивной стратегией видов, определяющих эффективность межвидового скрещивания и направленность процессов обмена генетической информацией. Исходя из базовых постулатов классической генетики, наличие постоянных интенсивных процессов гибридизации, по всей вероятности, должно оказывать влияние на уровень генетической изменчивости - приводить к увеличению аллельного разнообразия, уровня гетеро-зиготности (вследствие наличия гибридного потомства) и степени генотипического разнообразия. Одновременно с этим, анализ литературных и экспериментальных данных для ряда древесных видов выявил несоответствие полученных результатов общепринятой модели межвидовой гибридизации, что, по всей видимости, может быть объяснено избирательным характером скрещивания (совместимости) генотипов различных видов [1, 15, 17].
Так, например, для симпатрических видов дуб черешчатый - дуб скальный был выявлен ассиметричный характер генного потока в популяциях [15]. Избирательный характер скрещивания, как было показано в ряде исследований (при проведении серии искусственных скрещиваний и последующей оценки гибридного потомства), наибольший вклад в репродуктивную изоляцию вносит предзиготической барьер. Так, например, яйцеклетки Q. ре^аеа оплодотворяются в основном спермиями этого же вида, в отличие от Q. гоЬиг [15].
Для определения уровня генетического полиморфизма для семенного потомства различного типа происхождения были рассчитаны показатели генетического полиморфизма с использованием SSR-маркеров. Установлено, что наименьшим уровнем наблюдаемой гетерозиготности (40-43%) характеризовалось гибридное потомство, происходящее от исходных видов - Q. гоЬиг и Q. ре^аеа, что, с одной стороны, противоречит биологической
концепции процесса гибридизации, но, с другой стороны, может быть объяснено ограниченным числом индивидуумов, участвующих в скрещивании, вследствие наличия репродуктивного барьера - несовпадения сроков цветения, прогамной несовместимости и др. [16]. Для исходных видов значение H составило 70,2% (Q. robur) и 58,3% (Q. petraea). При этом уровень ожидаемой гетерозиготности у гибридных индивидов был выше в случае материнских растений Q. robur (78,2%), по сравнению с Q. petraea (57,4%), тем самым дополнительно подтверждая избирательный характер опыления дуба скального. Исходя из полученных данных, наибольшим уровнем наблюдаемой гетерозиготности среди гибридного потомства характеризовались индивиды, происходящие от гибридных материнских растений. Увеличение доли гетерозиготных деревьев может быть обусловлено большим количеством вариантов генотипов, участвующих в скрещивании, и высокой репродуктивной пластичностью всей группы в целом.
Следует отметить, что группа полусибсово-го потомства дуба скального, полученная от гибридных материнских растений, характеризовалась сходными значениями параметров ожидаемой и наблюдаемой гетерозиготности, что, по всей видимости, связано с однородностью выявленной для них генетической структуры. Для групп растений, представленных видами Q. robur и Q. petraea, уровень наблюдаемой гетерозиготности был несколько ниже ожидаемого, указывая на наличие инбредных процессов, происходящих при естественном опылении [15].
Противоречивые данные, связанные с генетическими аспектами процессов межвидовой гибридизации, отмечаются и для сим-патрических видов береза повислая - береза пушистая. Рядом исследователей также установлена несовместимость при взаимном опылении. Результаты проведенных диаллельных скрещиваний показали, что в 30% случаев эти виды не скрещивались, а в остальных случаях полученые полные семена составляли 50% от всего количества. При этом наилучшие результаты гибридизации были получены при опылении цветков B. pendula пыльцой B. pubescens [19]. Детальные исследования потомства 10 полусибсовых семей березы по-
вислой показали, что только 0,2% из них были гибридами между B. pendula х B. pubescens [18]. Другим аспектом, как указывалось ранее, является пониженная фертильность или ее полное отсутствие у гибридов по причине их триплоидности. Несмотря на наличие незначительного дополнительного аллельного разнообразия, уровень наблюдаемой гетеро-зиготности у межвидовых гибридов не превысил аналогичный показатель, выявленный для популяций березы пушистой [7].
Заключение
В результате проведенной работы установлены основные факторы, оказывающие влияние на генетическую структуру и уровень генетического разнообразия популяций лесных древесных видов. Среди факторов, приводящих к увеличению уровня генетической дифференциации и уменьшению генетического полиморфизма, наибольшее значение имеют географическая и репродуктивная изоляция, низкая эффективная численность популяций и эффект основателя. Интенсивный генный поток, интрогрессивная гибридизация и превалирование панмиксии приводят к снижению межпопуляционных различий и увеличению уровня генетического разнообразия. В целом, полученные данные указывают на необходимость учета влияния вышеперечисленных факторов при проведении популяционных исследований лесных древесных растений, разработке мероприятий по сохранению генофонда видов и совершенствовании стратегии селекционного семеноводства.
Список использованных источников
1. Hamrick, J.L. Allozyme diversity in plant species // Plant Population Genetics, Breeding and Genetic Resources. Chapter 3 / J.L. Hamrick, M.J.W. Godt; editors: A.H.D. Brown et al. - Sinauer Associates, Inc., Sunderland, MA, 1989. - P. 43-63.
2. Nevo, E. The evolutionary significance of genetic diversity: ecological, demographic and life history correlates / E. Nevo, A. Beiles, P. Ben-Shlo-mo // Lect. Notes Biomath. - 1984. - Vol. 53 -P. 13-213.
3. Which DNA Marker for Which Purpose. Final Compendium of the Research Project Development, optimisation and validation of mo-
lecular tools for assessment of biodiversity in forest trees in the European Union / E.M. Gillet (lead.), DGXII Biotechnology FW IV Research Programme Molecular Tools for Biodiversity. -Frankfurt, 1999. - 253 p.
4. Гончаренко, Г.Г. Руководство по исследованию хвойных видов методом электрофоре-тического анализа изоферментов / Г.Г. Гончаренко, В.Е. Падутов, В.В. Потенко. - Гомель: Полеспечать, 1989. - 164 с.
5. Березовые леса Беларуси: Типы, ассоциации, сезонное развитие и продуктивность / под. общ. ред. И.Д. Юркевича.— Минск: На-вука i тэхшка, 1992. - 183 с.
6. Кузенева, О.И. Род береза - Betula L. // Флора СССР. - М.-Л., 1936. - Т. 5. - С. 269-305.
7. Молекулярно-генетические аспекты исследования лесных древесных видов растений / В.Е. Падутов [и др.] // Генетические основы селекции растений: в 4 т. Т. 4. Биотехнология в селекции растений. Геномика и генетическая инженерия / науч. ред. А.В. Кильчевский, Л.В. Хотылева. - Минск: Беларуская навука, 2014. - С. 467-506.
8. Юшкаускайте, А. Фенотипическая пластичность полусибсовых семей сосны обыкновенной и связь пластичности с полиморфизмом ядерной ДНК / А. Юшкаускайте, О.Ю. Баранов, В. Балюцкас // Наука - инновационному развитию лесного хозяйства: материалы международной научно-практической конференции, Гомель, 13-17 ноября / Институт леса НАН Беларуси; ред.: А.И. Ковалевич [и др.]. - Гомель: Институт леса НАН Беларуси, 2015. - С. 222-224.
9. Особенности генотипической структуры популяций сосны обыкновенной, различающихся условиями гидрологического режима / В.Е. Падутов [и др.] // Проблемы лесоведения и лесоводства: сб. науч. трудов Института леса НАН Беларуси. - Вып. 67. - Гомель: ИЛ НАН Беларуси, 2007. - С. 592-596.
10. Slatkin, M. Gene flow in natural populations / M. Slatkin // Ann. Rev. Ecol. Syst. - 1985. -Vol. 16. - P. 393-430.
11. Качалов, А.А. Деревья и кустарники / А.А. Качалов. - М.: Лесная промышленность, 1970. - 410 с.
12. Баранов, О.Ю. Молекулярно-генетичес-кий анализ быстрорастущих форм ели европейской (Picea abies (L.) Karst.) / О.Ю.Баранов,
В.Е. Падутов // Генетика и биотехнология XXI века: проблемы, достижения, перспективы: материалы междун. науч.-практ. конф., по-свящ. 100-летию со дня рождения академика Н.В. Турбина, Минск, 8-11 октября 2012 г. / Институт генетики и цитологии НАН Беларуси; редкол.: А.В. Кильчевский [и др.]. - Минск, 2012. - C. 103.
13. Молекулярно-генетический анализ по-лусибсового потомства сосны обыкновенной с различным уровнем экологической пластичности / О.Ю. Баранов [и др.] // Сохранение лесных генетических ресурсов Сибири: материалы 4-го международного совещания, Барнаул, 24-29 августа / Ин-т леса им. В.Н. Сукачева СО РАН; редкол.:
B.В. Тараканов [и др.]. - Барнаул, 2015. -
C. 9-10.
14. Paprastosios pusies populiacj genetine struktura Lietuvoje pagal chloroplastu DNR zymenis / D. Kavaliauskas [et al.]. -Miskininkyste. - 2015. - Vol. 1 (77). - P. 45-55.
15. Nuclear and organelle diversity in Quer-cus robur and Q. petraea / A. Kremer [et al.] // Genetic variation in European populations of forest trees. - Germany: Sauerlander, 1991. -P. 141-166.
16. Генетическая структура полусибсового потомства дуба черешчатого и дуба скального различного происхождения (SSRP-анализ) / О.Ю. Баранов [и др.] // Весщ НАН Беларусь Сер. бiял. навук. - № 3. - 2015. - С. 94-98.
17. Phylogenetic relationships of Betula species (Betulaceae) based on nuclear ADH and chloroplast MATK sequences / P. Jarvinen [et al.] // American Journal of Botany. - Vol. 91(11). -2004. - P. 1834-1845.
18. Балюцкас, В. Морфолого-генетическая характеристика межвидовых гибридов (B. pendula x pubescens) в полусибсовом потомстве березы повислой / В. Балюцкас, А. Балюцкене, О.Ю. Баранов // Наука о лесе XXI: материалы международной научно-практической конференции, Гомель, 17-19 ноября / Институт леса НАН Беларуси; ред.: А.И. Ковалевич [и др.]. -Гомель: Институт леса НАН Беларуси, 2010. -С.130-134.
19. Hagman M. On self-and cross-incompatibility shown by Betula verrucosa Ehrh. and Betula pubescens // Ehrh. Commun. Inst. Forest. Fenn. - 1971. - Vol. 73. - P. 1-125.
O.Yu. Baranov, D.I. Kagan, V.E. Padutov
EVALUATION THE VARIOUS FACTORS INFLUENCE ON GENETIC STRUCTURE AND VARIABILITY OF FOREST TREE SPECIES
POPULATIONS
The Institute of Forest of the National Academy of Sciences of Belarus Gomel BY-246001, Republic of Belarus
In this article, the influence of different factors (size and habitat structure, geographic and reproductive barriers to the exchange of genetic material between stands; introgressive hybridization; anthropogenic and biotic factors, leading to fluctuations in the effective population size; breeding and genome organization features) on the formation of the genetic structure and the level of genetic variability of populations on the example of the main forest tree species of Belarus was shown.
Key words: population genetic structure, genetic variation, DNA markers.
Дата поступления статьи 12 февраля 2016 г.
