CC BY
33
УДК 575.17:575.21/22+582.475.4
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АЛЛОЗИМНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ У КЕДРА СИБИРСКОГО: ТРИ УРОВНЯ РАЗНООБРАЗИЯ
Е.А. Петрова1, С.Н. Велисевич1, Д.В. Политов 2,
М.М. Белоконь 2, Ю.С. Белоконь 2, С.Н. Горошкевич1
'Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН 634021 Томск, Академический пр., 10/3
^Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, Москва
Распределение генетического разнообразия у кедра сибирского рассматривали на трех уровнях, соответствующих трем формам внутривидовой изменчивости - индивидуальной, экологической и географической. Исследования проводились в естественных популяциях и на экспериментальных объектах, количественные оценки генетической изменчивости получены с помощью метода электрофореза изоферментов. Соотношение генетического разнообразия и индивидуальной фенотипической изменчивости, в частности темпов онтогенеза, на выровненном экологическом фоне определяется естественным отбором посредством конкурентных взаимоотношений. В случае экологической изменчивости структура естественного отбора усложняется, и, наряду с внутривидовой конкуренцией, приобретают влияние лимитирующие факторы окружающей среды, а также локальный поток генов, направленность которого обусловлена особенностями зоохории. Наконец, при рассмотрении географического уровня изменчивости к перечисленным выше факторам добавляются генетические процессы, связанные с историей расселения вида, т.е. макромасштабный поток генов. Высказано предположение, что естественный отбор и генетический «бэкграунд», созданный потоком генетического материала, являются первоочередными факторами формирования структуры естественных популяций кедра сибирского. Результаты исследования свидетельствуют о частичной селективности аллозимного полиморфизма и его значении для адаптации кедра сибирского к широкому спектру условий окружающей среды. Выявленные закономерности иллюстрируют естественную сложность организации внутривидового разнообразия и особенностей его последовательных иерархических уровней. Понимание структуры биологического разнообразия позволяет наиболее полно учесть его элементы и функциональные связи между ними и является обязательным условием при разработке концепций сохранения и использования генетических ресурсов вида.
Ключевые слова: сосна кедровая сибирская (Pinus sibirica Du Tour), генетическое разнообразие, формы изменчивости, аллозимный полиморфизм, естественный отбор
Distribution of genetic diversity in Siberian Stone pine is considered at three levels according to three within-species variation forms - individual, ecological and geographical. We studied Siberian Stone pine natural populations, plantations and clonal archive. Genotypes of model trees and clones were determined on isozyme loci using starch gel electrophoresis. In most part relation of genetic diversity and individual phenotypic variability, partially the rate of ontogenesis, at the regular environments is determined by within-species competition. If ecological variability is considered, the natural selection becomes complicated by limiting environmental factors and local gene flow. In addition to listed above factors geographical distribution of allozyme variation is determined by genetic processes due to Pinus sibirica postglacial colonization. We assumed that natural selection and genetic «background» created by gene flow are dominating factors forming the structure of genetic diversity in Siberian Stone pine natural populations. The finding attests that allozyme polymorphism can be partly involved in adaptation of Siberian Stone pine to survive in wide range of environments. The pattern illustrates natural complexity of consecutive levels in within-species genetic diversity. Understanding of biological diversity structure allows to take into account all elements and functional connections between them that is necessary for development of the species genetic resources conservation and utilization concept.
Key words: Siberian Stone pine (Pinus sibirica Du Tour), genetic diversity, variation forms, allozyme polymorphism, natural selection
ВВЕДЕНИЕ
Проблема сохранения и использования генетических ресурсов лесных древесных растений на основе всестороннего исследования их биологического разнообразия (БР) в последние десятилетия правомерно привлекает все большее внимание научной общественности. В частности, в первом пункте резолюции 1 Совещания по сохранению
* Работа выполнена при финансовой поддержке СО РАН (проекты фундаментальных исследований
№ У1.44.2.6), СО и УрО РАН (Интеграционный проект № 53), программ фундаментальных исследований Президиума РАН «Биологическое разнообразие» (подпрограмма «Генетическое разнообразие и генофонды») и ОБН РАН «Биологические ресурсы России: оценка состояния и фундаментальные основы мониторинга»
лесных генетических ресурсов Сибири предлагается «разработать новую редакцию национальной программы по изучению, сохранению и рациональному использованию лесных генетических ресурсов России с учетом последних международных документов и научных достижений в области сохранения биоразнообразия, утвердить ее на уровне правительства РФ». Одним из основных международных документов является Конвенция о биологическом разнообразии, принятая на Саммите в Рио-де-Жанейро, 3-14 июня 1992 года. По определению, которого придерживается Конвенция, "Биологическое разнообразие" означает вариабельность живых организмов из всех источников, включая, среди прочего, наземные, морские и иные водные экосистемы и экологические комплексы, частью которых они являются; это понятие включает в себя разно-
образие в рамках вида, между видами и разнообразие экосистем. Именно определение биоразнообразия в отношении генов (внутрипопуляционное, или генетическое разнообразие), видов и экосистем, соответствующих трем фундаментальным и иерархически связанным уровням биологической организации, является в настоящее время общепринятым.
Отличительной чертой биологического разнообразия бореальных лесных экосистем является малое число лесообразующих видов древесных растений, каждый из которых встречается в широком спектре лесорастительных условий. Естественно, что в данном случае наибольшую ценность для целей изучения БР лесных древесных видов приобретает исследование внутривидового уровня разнообразия. Внутривидовое, или генетическое, разнообразие относится к вариации генов внутри видов, охватывает различные популяции одного и того же вида и служит основой их адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды. Согласно классификации форм внутривидовой изменчивости (Мамаев, 1972) выделяется 6 её форм - индивидуальная, половая, хронографическая, экологическая, географическая (эколого-географическая) и гибридогенная изменчивости. Основными, на наш взгляд, продолжающими иерархическую лестницу уровней БР внутри вида являются эколого-географическая, экологическая и индивидуальная изменчивости. Именно результатам исследования этих уровней внутривидовой изменчивости одного из основных лесообразующих видов Сибири, сосны кедровой сибирской (Pinus sibirica Du Tour), посвящена данная статья. Изучение генетической изменчивости в популяциях этого ценнейшего вида хвойных проводится с 80-х годов прошлого столетия в основном с помощью метода электрофореза изоферментов. За этот период были разработаны методы проведения электрофореза и гистохимического окрашивания изоферментов, описаны системы генетического контроля изоферментов у Pinus sibirica (Крутовский и др., 1987; Подогас и др., 1993), проанализирована генетическая структура, подразделенность и дифференциация ряда популяций (Крутовский и др., 1989; Политов и др., 1992; Гончаренко, Силин, 1997; Politov, 1998; Politov, Krutovskii, 2004), описана система скрещивания в популяциях вида (Политов, Крутовский, 1990). В этих публикациях представлены в основном средние для популяций и вида стандартные показатели генетической изменчивости, приводимые безотносительно экологических условий произрастания и фенотипических характеристик деревьев исследованных насаждений. В данной статье мы приводим результаты анализа трех последовательных уровней внутривидовой изменчивости P.sibirica, полученные при проведении комплексных генетических, морфологических и экологических исследований.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования индивидуальной изменчивости генетических характеристик и сроков вступления в плодоношение являлись одновозраст-
ные производственные культуры, различающиеся густотой посадки, а также естественная старовозрастная популяция кедра сибирского. Все три объекта расположены в южной подзоне тайги Западной Сибири (Томская область). В культурах, достигших на момент обследования возраста 39 лет (56°20' с.ш., 85°08' в.д.), деревья были посажены по схеме 3м х 0,7м, в 23-летних культурах (56°11' с.ш., 84°41' в.д.)
- по схеме 8м х 8м. Исследованная естественная старовозрастная популяция произрастает на небольшом (30 х 70 м) минеральном острове в болоте Таган (56°14' с.ш., 84°22' в.д.). Ход развития деревьев был восстановлен с помощью метода ретроспективного изучения органогенеза побегов по следам на коре от опавших органов (Воробьев и др., 1989), возраст определен по числу годичных приростов ксилемы на кернах, извлеченных на высоте 40 см из стволов деревьев.
Исследование экологической изменчивости поводили в двух протяженных популяциях, подразделенных на пробные площади в соответствии с изменчивостью основного лимитирующего фактора. Лесоболотный экологический профиль, длиной 2,2 км, перепадом высот 40 м и средним углом наклона 11°, был заложен в северной части междуречья Оби и Томи, на правом берегу болота Таган (56°11' с.ш., 84°25' в.д. - 56°12' с.ш., 84°24' в.д.). Выделены 8 местообитаний (пробных площадей), характеризующих последовательную смену экологических ступеней по градиенту влажности почвы: 1- кедровник мелкотравный (5К3П1Е1Б+С; III бонитет), 2 - пихтач папоротниковый (6П3К1Е; III бонитет), 3 - кедровник кустарничково-зеленомошный (7К1Е1Б1П+Ос; III бонитет), 4 - кедровник травяно-болотный (кедровая согра, К2Е1Б+П; Ш бонитет), 5 - сосняк брусничный (6С4К; V бонитет), 6 - сосняк осоково-сфагновый (4С3К3Б; Vа бонитет), 7 - кедровник кустарничко-во-травяно-сфагновый (4К3С3Б+Л; V бонитет), 8 -сосняк сфагновый (9С1Б+К; Vб бонитет). Высотный экологический профиль длиной около 14 км был заложен в пределах макросклона г. Колюшта, в Северо-Восточном Алтае. Профиль начинается в чер-невом поясе тайги на второй надпойменной террасе р. Кыга (51°19' с.ш., 87°50' в.д.) и заканчивается в подгольцовом редколесье (51°18' с.ш., 87°56' в.д.). Эта протяженная популяция разделена на 5 ценопо-пуляций, характеризующих смену горных лесорастительных поясов по температурному градиенту: 1 -кедровник крупнотравно-папоротниковый (470 м. над ур.м., 8К2П, I бонитет), 2 - кедровник кустарни-ково-крупнотравно-папоротниковый (660 м. над ур.м., 5П4К1Б, III бонитет), 3 - кедровник кустарни-ково-папоротниково-крупнотравно-вейниково-зеленомошный (1280 м. над ур.м., 9К1П, II бонитет), 4 - субальпийский кедровник крупнотравный (1830 м. над ур.м., 10К+П, IV бонитет), 5 - ерниково-мохово-лишайниковое кедровое редколесье (2100 м. над ур.м., 10К+Л, древесная растительность внебо-нитетная).
Для изучения географической изменчивости и дифференциации популяций были проанализированы генотипы клонов 11 экотипов кедровой сосны сибирской, произрастающие в клоновом архиве.
Экотипы Уренгой (У), Тарко-Сале (ТС), Ноябрьск (Нб), Стрежевой (Стр), Виссарионов Бор (ВБ), Бата-лино (Б) и Большой Он (Он) представляют широтный профиль (65°50' - 52°30' с.ш.) ареала вида, экотипы Невьянск (Нв), Баталино, Тайшет (Т), Слюдян-ка (Сл) и Северобайкальск (Сб) - долготный профиль (60°10' - 109°25' в.д.).
Электрофорез изоферментов. Для электрофореза использовали диплоидные вегетативные ткани (почки). Ткани гомогенизировались механически в экстрагирующем буфере (0,05 M трис-HCl, pH 7,7 с добавлением растворимого поливинилпиролидона (3 %), Р-меркаптоэтанола (0,05 %) и поликлара в объеме, равном объему пробы). Электрофорез проводился в 13%-м крахмальном геле. Электрофоретическое разделение каждого образца проводилось в двух буферных системах: A - морфолин-цитратной, pH 7,8 (Clayton, Tretiak, 1972); B - трис-ЭДТА-боратной, pH 8,6 (Markert, Faulhaber, 1965). Множественные зоны активности и соответствующие генные локусы обозначались сокращенными названиями ферментов и нумеровались в порядке убывания электрофоретической подвижности от анода к катоду. Генный контроль изоферментных систем в целом не отличался от описанного ранее для сосны кедровой сибирской и близких видов сосен секции Strobus (Крутовский и др., 1987; Politov et al., 1999; Белоконь и др., 2005). Гистохимическое окрашивание проводили согласно стандартным методикам с незначительными модификациями (Manchenko, 1994).
На основании полученных генотипов были определены частоты аллелей изученных изофермент-ных локусов, рассчитаны основные параметры генетической изменчивости: ожидаемая гетерозигот-
ность (Не), наблюдаемая гетерозиготность (Но), доля полиморфных локусов по 99 % критерию (Р), среднее число аллелей на локус (А). Для деревьев производственных культур и старовозрастной популяции кедра была определена индивидуальная гетерозигот-ность как количество локусов, находящихся в генотипе в гетерозиготном состоянии, из числа изученных. Подразделенность и дифференциацию популяций оценивали с помощью F-статистик (Wright, 1978) и стандартных генетических дистанций Неи Dn (Nei, 1978). Коэффициент ранговой корреляции Спирмена использовали для оценки связи рассчитанных показателей генетического разнообразия и показателей изменчивости экологических факторов, географического положения популяций, а также характеристик онтогенетического развития (возраст первой репродукции, продолжительность жизни). Обработка генетических данных и анализ дифференциации по методу главных компонент проведены в пакете GenAlEx V5.1 (Peakall, Smouse, 2001), корреляционный анализ проведен в пакете Statistica 6.0.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Индивидуальная изменчивость. Поскольку под индивидуальной изменчивостью понимается вариация характеристик индивидов в пределах популяции, то средние значения стандартных параметров внутрипопуляционной изменчивости, которые
обычно используются в популяционно-генетическом анализе, уже являются характеристикой (результатом) изменчивости генотипов в популяции. Однако мы преследовали цель установить закономерности вариации генотипических характеристик в связи с фенотипической изменчивостью, наблюдающейся у кедра сибирского. Фенотип растительного организма формируется в течение его длительного онтогенетического развития, и определяется взаимодействием генотипа и условий окружающей среды. Длительность онтогенеза является отличительной чертой древесных, она усложняет изучение наследования признаков у этих растений, и одновременно делает более информативным исследования их морфогенеза. Анализируя онтогенез, мы анализируем результаты реализации программы развития растительного организма, заложенной в его генотипе. Переход от вегетативного развития к генеративному является важнейшим этапом онтогенеза растительного организма и представляет собой одну из интереснейших фундаментальных проблем биологии развития растений. В популяциях кедра сибирского наблюдается дифференциация по возрасту вступления в половую репродукцию (Воробьев, 1983; Смолоногов, 1999; Велисевич и др., 2001), однако причины этого явления до конца не ясны. Согласно гипотезе, предложенной Ю.П. Алтуховым (Алтухов, 1998), полило-кусная гетерозиготность генома определяет темп полового созревания и продолжительность жизни биологических видов. Эта закономерность подтверждается при анализе как зоологических, так и ботанических (древесных) видов. Нами же была предпринята попытка аппроксимации данной гипотезы на внутривидовой (индивидуальный) уровень изменчивости кедра сибирского.
Индивидуальные генотипы 206 деревьев были определены более чем по 20 ИФ локусам. Установлено, что в культурах с разреженной посадкой при меньшем возрасте деревьев доля вступивших в половую репродукцию растений составляла 78 %, а в разреженных культурах - 63 %. В обоих насаждениях средняя фактическая гетерозиготность деревьев, не вступивших в половую репродукцию, имеет более низкое значение по сравнению с аналогичным показателем для генеративных деревьев (Петрова и др., 2004). Среди генеративных деревьев, произрастающих в сомкнутом насаждении, наблюдается тенденция к более раннему началу семеношения особей с повышенной гетерозиготностью. Во втором насаждении, контрастном по густоте посадки, данная закономерность не обнаруживается.
Таким образом, нами получены подтверждения существования зависимости аллозимной гетерози-готности и фенотипических характеристик сосны кедровой сибирской, в том числе возраста вступления в половую репродукцию, причем эта закономерность более выражена в насаждении с высокой густотой посадки. Данный способ расположения деревьев на лесокультурной площади обусловливает напряженные конкурентные отношения между ними с момента начала перекрывания зон корневых систем и крон и может рассматриваться как фитоцено-тический стресс. Это свидетельствует о зависимости
проявления связи индивидуальной гетерозиготности и фенотипа от условий среды, в данном случае от степени внутривидовой конкуренции деревьев лесных культур.
Для продолжения исследований в части связи ал-лозимной гетерозиготности и продолжительности жизни кедра была исследована группа деревьев-долгожителей, произрастающих на минеральных островах болота Таган, в равнинной части южной подзоны тайги Западной Сибири. Корни деревьев ограничены в росте из-за близости воды и бедности почвенного субстрата.
Вероятно, изолированность от береговой части и
от сфагнового болота способствовала защите от пожаров и антропогенного воздействия, чем были созданы предпосылки к увеличению периода жизни обнаруженных растений (Велисевич, 2007). Были установлены генотипы 41 модельного дерева кедра по 21 аллозимному локусу. Три возрастные группы деревьев были выделены для анализа особенностей их генотипического состава - деревья возрастом менее 250 лет, деревья возрастом 250-350 лет, и группа деревь-ев-долгожителей, чей возраст был больше 350 лет (максимальный возраст - 640 лет). Значения параметров генетической изменчивости в возрастных группах приведены в таблице 1.
Параметры генетической Возрастные группы
изменчивости До 250 лет 250-350 лет Старше 350 лет
Но 0,108 0,131 0,111
Не 0,103 0,118 0,103
Р, % 38,10 42,86 38,10
Примечание: Но - наблюдаемая гетерозиготность, Не - ожидаемая гетерозиготность, Р - доля полиморфных локусов.
Основной интерес для нас представляет анализ средней фактической (наблюдаемой) гетерозиготно-сти. Известно что, у хвойных растений, в частности у кедра сибирского, средняя аллозимная гетерозигот-ность возрастает от эмбрионов семян к стадии взрослых деревьев вследствие отбора в пользу гетерозиготных организмов (КгйоуБки й а1., 1995; РоШоу, Кгй-оуБкп, 2004). Вероятно, именно этим объясняется большее значение Но в группе деревьев 250-350 лет по сравнению с группой более молодых деревьев. Понижение наблюдаемой гетерозиготности в группе старовозрастных деревьев относительно группы 250350 лет может быть связано с большей продолжительностью жизни низкогетерозиготных деревьев кедра. В пользу этого предположения свидетельствует тот факт, что у 8-и из 12-и деревьев старше 350 лет лишь 1 или 2 изоферментных локуса находятся в гетерозиготном состоянии. В пределах этой группы связь аллозимной гетерозиготности и возраста деревьев отрицательна и достоверна (г = - 0.67, р = 0.02), что обусловлено низкой гетерозиготностью деревьев старше 450 лет. Кроме того, экспертная оценка жизненного состояния модельных деревьев этой группы позволяет заключить, что деревья 350-400 лет, у которых в гетерозиготном состоянии находятся 1 или 2 изоферментных локуса, потенциально более жизнеспособны (меньшая доля гнили ствола, большая доля живой кроны) по сравнению с деревьями, в генотипе которых выявлено 4 - 5 гетерозиготных аллозимных локуса. Таким образом, распределение аллозимной гетерозиготности в популяциях кедра сибирского сопряжено с вариацией темпов онтогенетического развития, которые в свою очередь проявляются в сроках вступления в репродукцию и продолжительности
жизни деревьев.
Экологическая изменчивость. Кедр сибирский относится к видам с широким (трансконтинентальным) ареалом, однако в пределах этого ареала встречаются территории, экологические условия которых не соответствуют даже минимальным, необходимым для произрастания вида требованиям. В горах Южной Сибири кедр сибирский распространен от черневого до субальпийского поясов и образует высотную границу лесной растительности, принимая формы, отличные от типичной формы дерева с симметричной кроной («стланиковые», «юбочные» и т.д.). В таежной зоне Западной Сибири этот вид является типичным представителем лесоболотных экотонов, и участвует в формировании болотной экологической границы распространения.
Значительная вариация на ограниченной территории экологического фактора, лимитирующего распространение вида, позволяет рассматривать естественный отбор в качестве ведущего фактора, формирующего генетическую структуру популяции экологического профиля. Среди пробных площадей (ПП) лесоболотного экологического профиля наиболее генетически обедненной оказалась ценопопуляция № 8 с рямовым кедром, произрастающая в центральной части сфагнового верхового болота. Максимальным генным разнообразием (Не) характеризовалась кедровая согра (ПП 4). Вероятно, специфические условия произрастания - сочетание повышенной влажности и максимального, относительно других выборок лесоболотного профиля, почвенного богатства, способствовали поддержанию высокого уровня генетического разнообразия сосны кедровой сибирской этой цено-популяции (табл. 2)
Таблица 2 - Генетическое разнообразие протяженных популяций кедра сибирского лесоболотного и высотного
Лесоболотный профиль Высотный профиль
ПП1 ПП2 ПП3 ПП4 ПП5 ПП6 ПП7 ПП8 ПП1 ПП2 ПП3 ПП4 ПП5
Р,% 52,4 52,4 52,4 47,6 52,4 47,6 42,4 33,3 42,9 47,6 52,4 42,9 47,6
Но 0,111 0,112 0,110 0,091 0,119 0,100 0,115 0,092 0,079 0,088 0,109 0,095 0,125
Не 0,109 0,126 0,123 0,135 0,120 0,118 0,111 0,089 0,071 0,098 0,102 0,088 0,122
Генетическая подразделенность, т.е. доля генетической изменчивости между выборками лесоболотного профиля, составляет 2,1 % общей генетической изменчивости, что является достаточно высоким значением данного параметра для территориально мало разобщенных выборок. Наблюдаемое распределение ценопопуляций в плоскости первых двух компонент, полученных по результатам многомерного анализа генетических данных, можно связать с особенностями их лесорастительных условий, охарактеризованных по шкале Л.Г. Раменского (Раменский и др., 1956) в системе экологических координат «увлажнение-богатство» и по результатам лабораторных анализов почвенных образцов. Первая главная компонента, объясняющая около 43 % общей генотипической изменчивости, максимально дифференцирует выборки сосны кедровой сибирской из кедровника зелено-мошного (ПП 3) и кедровой согры (ПП 4), которые наиболее различаются по почвенному богатству (рис. 1).
1 3 2 4
7 ♦ 8 5 6
РС1
♦ 5 ♦ 1
♦ 3
4
♦ 2
РС1
Рисунок 1 - Распределение ценопопуляций лесоболотного (сверху) и высотного (снизу) экологических профилей в плоскости главных компонент. Цифрами обозначены номера пробных площадей
Координаты ценопопуляций по этой компоненте, как комплексная характеристика аллельного разнообразия, и содержание гумуса в исследованных почвенных образцах достоверно связаны между собой (коэффициент ранговой корреляции Спирмена +0,83, р < 0,05). В плоскости второй главной компоненты, объясняющей около 24 % генетической изменчивости по аллозимным локу-сам, наиболее увлажненные местообитания сгруппированы в области отрицательных значений, а первая, самая высокая и сухая точка профиля ха-
рактеризуется максимальным положительным значением.
Таким образом, установлено соответствие внутренней организации генетической структуры протяженной популяции лесоболотного экологического профиля основным детерминантам лесорастительных условий - трофности и влажности почвы. Это свидетельствует о значительной роли мик-роэкологической дифференциации местообитаний в формировании генотипического разнообразия равнинных кедровников в Западносибирском регионе и о селективности изменчивости изоферментных локусов.
Анализ генетической структуры популяции высотного профиля показал, что доля полиморфных локусов и среднее число аллелей на локус были максимальны в выборке деревьев из средней части профиля, минимальны - в ценопопуляциях черне-вой тайги и субальпийского кедровника (табл. 2).
Значения средней наблюдаемой гетерозиготно-сти возрастают по мере увеличения высоты пробной площади над уровнем моря ( г= 0,900, р < 0,05). Относительно высокая частота редких аллелей по локусам Fe-2, Pgm-1 и Pgi-2, и более частая их встречаемость в гетерозиготном состоянии, вероятно, обусловили повышенные значения НО и НЕ в ценопопуляции высокогорной границы леса. Генетическая подразделенность высотного экологического профиля, т.е. доля генетической изменчивости между выборками, составляет 2,2 % общей генетической изменчивости. Первые две главные компоненты, выявленные по результатам многомерного анализа генетических данных, объясняют коло 78 % общей генетической изменчивости деревьев пробных площадей высотного профиля. Це-нопопуляция кедрового редколесья (граница леса) в значительной степени дистанцирована от остальных по первой главной компоненте (рис. 1), на долю которой приходится 57 % общей генетической изменчивости.
Генетическая структура протяженной популяции сосны кедровой сибирской высотного профиля изменяется в соответствии с высотным градиентом. Наиболее своеобразной оказалась выборка с границы распространения лесной растительности. Среднее количество генов, находящихся в гетерозиготном состоянии у деревьев этого насаждения, оказалось достаточно высоким, что, вероятно, связано с наличием отбора в пользу гетерозиготных организмов в условиях высокогорья. Несмотря на некоторое уменьшение, по отношению к ниже расположенным выборкам, доли полиморфных локусов, средняя ожидаемая гетерозиготность деревьев этой ценопопуляции достаточно высока. Предположительно это связано со спецификой возобновительного процесса и зоохорного переноса семян кедра в горных условиях. Растения с верхней границы распространения в основном стерильны, и возобновление кедра идет за счет семян, принесенных кедровкой из черневого и субальпийского лесных поясов (Каляев, Криницкий, 1961; Воробьев, 1982). Роль зоохорного переноса генетического материала в формировании генетической структуры популяций
отмечается и для других видов сосен подсекции Cembrae. Семена сосны белокорой (P.albicaulis), ареал которой приурочен к субальпийскому поясу гор североамериканского континента, переносятся кедровкой в область границы вида и выше; с деятельностью этих птиц связано образование многоствольных форм и послепожарное возобновление P.albicaulis (Tomback, 2007). Таким образом, распределение генетического разнообразия высотной популяции Pinus sibirica определяется двумя факторами - направлением локального потока генов и естественным отбором.
Полученные результаты демонстрируют уникальность генотипического состава ценопопуляций экологических границ распространения и позволяют рассматривать их как элементарную единицу при разработке мероприятий по сохранению генофонда сосны кедровой сибирской.
Географическая изменчивость. Макромасштаб внутривидовой изменчивости связан с географическим распределением генетического разнообразия в пределах ареала вида. Территория, занимаемая лесами с участием кедра сибирского, составляет около 37 млн. га (Iroshnikov, Politov, 2004). Географические границы распространения кедра сибирского обусловлены различными причинами -суровые условия приполярья на севере, засушливый климат лесостепей в южной Сибири, холодные почвы на вечной мерзлоте и резко континентальный климат на востоке, конкуренция с темнохвойными породами на западе (Семечкин и др., 1985). Очевидно, что на столь обширной площади гетерогенность условий произрастания вида чрезвычайно велика. Для популяций (или генотипов), генетически дистанцированных в пределах вида вследствие адаптации к локальным условиям окружающей среды, принят термин «экотип» (Linhart, Grant 1996; Hufford, Mazer, 2003). Коллекция экотипов клонового архива являлась объектом в данной части нашего исследования.
Генетическая структура 11 экотипов долготного и широтного профилей ареала была охарактеризована по данным о генотипах 208 индивидуальных клонов кедра сибирского, установленных по 26 ло-кусам кодирующим 16 ферментных систем. Анализ связи генетического разнообразия и пространственного (географического) положения исходных популяций показал достоверную связь частоты аллелей ряда аллозимных локусов (Fe-2, Pgm-1, Mdh-2, Sod-3 и Sod-4) от географической широты и долготы популяций (r > 0,68; p < 0,01). В среднем, по нашим данным, у сосны кедровой сибирской на долю изменчивости между экотипами приходится 8,1% общего генетического разнообразия (FST = 0,081). По локусам, изменчивость частот аллелей которых связана с географическим местоположением выборки, показатель подразделенности экотипов был выше среднего.
Для оценки уровня генетической дифференциации популяций использовали генетическую дистанцию Неи (Nei, 1977). Кластерный анализ данных позволил выделить две основные группы среди анализируемых популяций (экотипов), условно
подразделяющие ареал на северо-западную и юговосточную части (рис. 2).
У ТС Нв Нб Стр ВБ Б Т Сб Сл Он
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025
Linkage Distance
Рисунок 2 - Генетическая дифференциация экотипов кедра сибирского
Названия экотипов на рисунке соответствуют указанным в описании объектов исследования.
Выборки, характеризующие север ареала (У, ТС), объединяются с популяцией, максимально удаленной в западном направлении (Нв). Единым кластером выступают экотипы таежной зоны: близки популяции из средней и южной подзоны тайги (Стр и ВБ), к ним примыкает экотип южной части северной подзоны тайги (Нб), и наконец выборка из южной подзоны тайги (Б) образует отдельную ветвь данного кластера. Юго-восточная группа экотипов представлена двумя кластерами, один из которых включает в себя крайний южный экотип (Он), другой - популяцию с восточной границы ареала (Сб). Экотипы Сл и Он, выступающие единым кластером, являются представителями темнохвойных горнотаежных лесов различных горных систем - Хамар-Дабана и Западного Саяна соответственно. Малую степень генетической дифференциации демонстрируют южнотаежный (Т) и горнотаежный (Сб) экотипы - пространственно разобщенные, но расположенные практически на одной широте.
В пользу предположения об адаптивной природе выявленных закономерностей аллозимной изменчивости у сосны кедровой сибирской можно трактовать связь климатических характеристик и генетической дифференциации изученных экотипов. Согласно климатическому районированию территории бывшего СССР (Алисов, Полтораус, 1974; Атлас СССР, 1984), северные экотипы У и ТС, слабо генетически дифференцированные, произрастают на границе атлантико-арктической и континентальной западносибирской областей умеренного климатического пояса. Примыкающий к ним на дендрограмме крайний западный экотип (Нв) относится к атлантико-континентальной европейской области. Следовательно, северо-западные экотипы, адаптированные к климатическим условиям, сформированным под влиянием атлантических воздушных масс, на дендрограмме объединены в единый кластер. Экотипы Нб, Стр, ВБ и Б, составляющие другой крупный кластер дендрограммы,
относятся к континентальной западно-сибирской области. Отельный кластер формируют экотипы континентальной восточно-сибирской области (Т, Сл и Сб) и горной области Алтая и Саян (Он). Таким образом, граница между двумя группами экотипов, входящих в состав двух основных кластеров дендрограммы - это, в сущности, граница между Западной и Восточной Сибирью с их умеренно и резко континентальным климатом, причем экотипы, пространственно (географически) приближенные к зоне влияния атлантических воздушных масс, образуют отдельный кластер.
Соответствие структуры генетической дифференциации экотипов крупным климатическим зонам территории распространения кедра сибирского позволяет предположить, что аллозимная изменчивость связана с адаптацией вида к спектру условий среды обитания. При обсуждении причин селективного преимущества отдельных аллозимных генотипов, как правило, высказываются две основные гипотезы. Во-первых, выборку изоферментов составляют локусы, кодирующие ферменты, которые участвуют в основных метаболических циклах растения, и, следовательно, непосредственно связаны с его жизнеспособностью (Корочкин и др., 1977). Можно предположить, что аллозимы имеют различную активность в различных условиях окружающей среды и это определяет селективное преимущество отдельных генотипов. Во-вторых, изо-ферментные локусы могут входить в состав ко-адаптированных генных комплексов - комбинаций генов, функционально взаимосвязанных и обеспечивающих повышенную жизнеспособность относительно других генотипов (Hufford, Mazer, 2003), либо маркировать их. Природа связи аллозимного полиморфизма и жизнеспособности древесных растений нуждается в дальнейшем исследовании, поскольку понимание этого феномена необходимо для разработки подходов к оценке их генофонда как совокупности наследственного материала, обеспечивающего адаптацию к широкому спектру климатических условий и продуктивность насаждений.
Другое предположение, обычно высказываемое при обсуждении межпопуляционной дифференциации вида, связано с историей его расселения; в этом случае частоты аллелей и градиент факторов среды связаны с географическими координатами, поэтому связь между ними является не прямой, а опосредованной. Современные ареалы сосен азиатской части Евразии являются результатом их расселения после оледенения в четвертичный период из рефугиумов. В качестве очага реликтовых популяций кедра сибирского чаще всего рассматривают горы Южной Сибири - Алтае-Саянскую горную страну (Назимова, 1968; Ирошников, 1974). Проанализированный нами южный экотип кедра сибирского (Он) также является географически ближайшей выборкой к предполагаемому южно-сибирскому (западно-
саянскому) рефугиуму. По нашим данным, этот экотип характеризуется высокими относительно других экотипов значениями P (50 %) и A (1,62), что может служить доказательством в пользу пред-
положения о его реликтовости, однако его генетическое разнообразие (He = 0,097) не высоко. Если рассматривать эту выборку как одну из точек, близких к очагу распространения кедра сибирского, то производные от него ныне существующие западносибирские популяции-экотипы имеют меньшее среднее число аллелей на локус (38 - 46 %) и более высокие значения ожидаемой гетерозиготности (He = 0,108 - 0,119), а экотипы с северной, западной и восточной границ распространения характеризуются минимальными значениями А. Таким образом, можно предположить, что структура дендрограммы, полученной на основании анализа генетических расстояний (рис. 2), отражает процесс расселения кедра сибирского в постледниковый период и основой генетической дифференциации служит подраз-деленность популяций на «реликтовые», «средневозрастные» и «молодые». Обратная зависимость генетического разнообразия и аллельного богатства была обнаружена в широкомасштабном исследовании бука европейского при анализе изменчивости 12 полиморфных изоферментных локусов (Comps et al., 2001). По данным французских и словацких авторов, юго-восточные (южная Италия и Балканы) популяции бука, которые предположительно являются центром его расселения, характеризовались максимальным аллельным богатством и минимальным генетическим разнообразием. В популяциях, возникших в процессе колонизации территории Европы, в которых наблюдается снижение аллельного богатства и увеличение генетического разнообразия, показана достоверная отрицательная корреляция этих двух параметров. Для объяснения данной взаимосвязи выдвигается предположение, что при колонизации в результате многократных прохождений популяции через «бутылочное горлышко» и проявлений «эффекта основателя» происходит утеря некоторых аллелей, а увеличение генетического разнообразия является следствием стабилизирующего отбора и интенсивного потока генов во вновь образованных низкополнотных популяциях (Comps et al., 2001). Следовательно, выявленное нами на уровне тенденции увеличение генного разнообразия и снижение числа аллелей в средневозрастных и молодых популяциях кедра сибирского обнаружено у других древесных пород с широким непрерывным ареалом. На уровне географической изменчивости генетического разнообразия кедра сибирского прослеживается эффект совместного действия основных детерминант популяционной динамики при реколонизации - макромасштабного потока генов и естественного отбора.
Таким образом, на различных уровнях организации биологического разнообразия кедра сибирского различные факторы оказывают влияние на объем и структуру генетической изменчивости. Соотношение генетического разнообразия и индивидуальной фенотипической изменчивости, в частности темпов онтогенеза, кедра сибирского на выровненном экологическом фоне определяется естественным отбором посредством конкурентных взаимоотношений. В случае экологической изменчивости структура естественного отбора усложняет-
ся, и к внутривидовой конкуренции добавляется действие лимитирующего фактора окружающей среды, а также локальный поток генов вследствие особенностей зоохории. Наконец, при рассмотрении экологогеографического уровня изменчивости к перечисленным выше факторам добавляются генетические процессы, связанные с историей расселения вида, т.е. макромасштабный поток генов. Вышесказанное отнюдь не подразумевает нивелирование действия других генетических процессов, общепризнанно формирующих структуру популяций, таких как мутационный процесс, генетический дрейф и система скрещивания, однако на наш взгляд именно естественный отбор и генетический «бэкграунд», созданный потоком генетического материала, являются первоочередными при формировании структуры естественных популяций кедра сибирского. Выявленные закономерности иллюстрируют естественную сложность организации внутривидового разнообразия и особенности его последовательных иерархических уровней. Понимание структуры биологического разнообразия позволяет наиболее полно учесть его элементы и функциональные связи между ними и является обязательным условием при разработке концепций сохранения и использования генетических ресурсов вида.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Алисов, Б. П. Климатология. Ч. 2 / Б. П. Алисов, Б. В. Пол-тораус. - М., 1974.
Алтухов, Ю. П. Аллозимная гетерозиготность, скорость полового созревания и продолжительность жизни / Ю. П. Алтухов // Генетика. - 1998. - Т. 34, № 7. - С. 9Q8-919. Атлас СССР / М. : ГУГК, 1984. - 26Q с.
Белоконь, М. М. Аллозимный полиморфизм европейской кедровой сосны (Pinus cembra L.) в горных популяциях Альп и Восточных Карнат / М. М. Белоконь [и др.] // Генетика. - 2QQ5. - Т. 41, № 11. - С. 1538-1551. Велисевич, С. Н. Влияние темпов роста ствола па возраст начала половой репродукции у кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour) / С. Н. Велисевич, Ю. В. Иванова, В. Н. Воробьев. - Томск, 2QQ1. - Ден. в ВИНИТИ 2Q.Q7.Q1, №1734-В, 2QQ1. - 12 с.
Велисевич, С. Н. О продолжительности жизни Pinus sibirica (Pinaceae) / С. Н. Велисевич // Ботанический журнал. -2QQ7. - Т. 92, № 6. - С. 877-884.
Воробьев, В. Н. Биологические основы комплексного использования кедровых лесов / В. Н. Воробьев. - Новосибирск : Наука, 1983. - 253 с.
Воробьев, В. Н. Кедровка и ее взаимосвязи с кедром сибирским / В. Н. Воробьев. - Новосибирск : Наука, 1982. -113 с.
Воробьев, В. Н. Рост и нол кедра сибирского / В. Н. Воробьев, Н. А. Воробьева, С. Н. Горошкевич. - Новосибирск : Наука, 1989. - 167 с.
Гончаренко, Г. Г. Популяционная и эволюционная генетика сосен Восточной Европы и Сибири / Г. Г. Гончаренко,
A. Е. Силин. - Минск. : Тзхналогія, 1997. - 191 с. Ирошников, А. И. Полиморфизм популяций кедра сибирского / А. И. Ирошников // Изменчивость древесных растений Сибири. Красноярск: сб. ст. - Красноярск, 1974. - С. 77-1Q3.
Каляев, А. И. Биологические основы орехопромысла в кедровых лесах Северо-Восточного Алтая / А. И. Каляев, В.
B.Криницкий // Труды Алтайского госзаповедпика, Вып. 3: сб. ст. - Барнаул, 1961. - С. 122-135.
Корочкин, Л. И. Генетика изоферментов / Л. И. Корочкин,
О. Л. Серов, А. И. Пудовкин. - М. : «Наука», 1977. - 275 с.
Крутовский, К. В. Генетическая изменчивость сибирской кедровой сосны Pinus sibirica Du Tour. Сообщение I. Механизмы генного контроля изоферментных систем / К. В. Крутовский, Д. В. Политов, Ю. П. Алтухов // Генетика. - 1987. - Т. 23, № 12. - С. 2216-2228.
Крутовский, К. В. Генетическая изменчивость сибирской кедровой сосны Pinus sibirica Du Tour. Сообщение IV. Генетическая изменчивость сибирской кедровой сосны Pinus sibirica Du Tour / К. В. Крутовский [и др.] // Генетика. - 1989. - Т. 25, № 11. - С. 2009-2032.
Мамаев, С. А. Формы внутривидовой изменчивости древесных растений (на примере сем. Pinaceae на Урале) / С. А. Мамаев. - М. : Наука, 1972. - 284 с.
Назимова, Д.И. Лесорастительное районирование Западного Саяна / Д. И. Назимова // Лесоведение. - 1968. - № 1. - С. 3-17.
Петрова, Е. А. Вступление в половую репродукцию и гете-розиготность сосны кедровой сибирской (Pinus sibirica Du tour) при различных способах формирования искусственных популяций / Е. А. Петрова, С. Н. Велисевич, М. М. Белоконь // Структурно-функциональная организация и динамика лесов: Материалы Всероссийской конференции. - Красноярск : Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2004. - С. 455-457.
Подогас, А. В. Генетическая дифференциация рода Pinus по аллозимным локусам : автореф. дис. ... канд. биол. наук / А. В. Подогас ; - Москва, Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова, 1993. - 154 с.
Политов, Д. В. Генетическая изменчивость сибирской кедровой сосны Pinus sibirica Du Tour. Сообщение V. Анализ системы скрещивания // Д. В. Политов, К. В. Кру-товский // Генетика. - 1990. - Т. 26, № 11. - С. 1309-1316.
Политов, Д. В. Характеристика генофондов популяций кедровых сосен по совокупности изоферментных локусов / Д. В.Политов, К. В. Крутовский, Ю. П. Алтухов // Генетика. - 1992. - Т. 28, № 1. - С. 93-114.
Раменский, Л. Г. Экологическая оценка кормовых угодий по растительному покрову / Л. Г. Раменский [и др.]. - М. : Сельхозгиз, 1956. - 472 с.
Семечкин, И. В. Кедровые леса Сибири / И. В. Семечкин, Н. П. Поликарпов, А. И. Ирошников. - Новосибирск : Наука, 1985. - 257 с.
Смолоногов, Е. П. Эколого-географическая дифференциация и динамика кедровых лесов Урала и ЗападноСибирской равнины (эколого-лесоводственные основы оптимизации хозяйства) / Е. П. Смолоногов. - Свердловск : Изд-во УрО АН СССР, 1990. - 288 с.
Clayton, J. W. Amino-citrate buffers for pH control in starch gel electrophoresis / J. W. Clayton, D. N. Tretiak // Journal of Fisheries Research Board Canada. - 1972. - V. 29. - P. 1169-1172.
Comps, B. Diverging Trends Between Heterozygosity and Allelic Richness During Postglacial Colonization in the European Beech / B. Comps [et al.] // Genetics. - 2001. - V. 157.
- P. 389-397.
Hufford, K. M. Plant ecotypes: genetic differentiation in the age of ecological restoration / K. M. Hufford, S. J. Mazer // Trends in Ecology and Evolution. - 2003. - Vol. 18, №. 3. -Р. 147-155.
Iroshnikov, A. I. Five-Needle Pines in Russia: Introduction and Breeding / A. I. Iroshnikov, D. V. Politov // Breeding and genetic resources of five-needle pines: growth, adaptability, and pest resistance; 2001 July 23-27; Medford, OR, USA. IUfRo Working Party 2.02.15. Proceedings RMRS-P-32. Fort Collins CO / ed. By R. A. Sniezko [et. al.]. - U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Rocky Mountain Research Station, 2004. - P. 64-72.
Krutovskii, K.V. Isozyme study of population genetic structure,
mating system and phylogenetic relationships of the five stone pine species (subsection Cembrae, section Strobi, subgenus Strobus) / K. V. Krutovskii, D. V. Politov, Y. P. Altukhov // Population Genetics and Genetic Conservation of Forest Trees. Papers presented at an Intern. symp. organized by IUFRO, held (24-28 August 1992 at Carcans-Maubuisson, France). - Amsterdam, Netherlands: SPB Acad. Publ., 1995. - P. 279-304.
Linhart, Y. B. Evolutionary significance of local genetic differentiation in plants / Y. B. Linhart, M. C. Grant // Annu. Rev. Ecol. Syst. - 1996. - V. 27. - P. 237-77.
Manchenko, G. P. Handbook of detection of enzymes on electrophoretic gels / G. P. Manchenko. - CRC Press, 1994. - 574 p.
Markert, C. L. Lactate dehydrogenase isozyme patterns in fish /
C. L. Markert, I. Faulhaber // Journal of Experimental Zoology. - 1965. - V. 159, № 2. - P. 319-332.
Nei, M. Estimation of average heterozygosity and genetic distance from a small number of individuals / M. Nei. - Genetics. - 1978. - Vol. 89. - Р. 583-590.
Peacall, R. GenAlEx V5: Genetic Analysis in Excel. Population Genetic Software for Teaching and Research [Электронный ресурс] / R. Peacall, P. E. Smouse. - Canberra, Australia, Austr. NAt. Univ., 2001. - Режим доступа: http://www.anu.adu./BoZo/GenAlEx. - Загл. с экрана.
Politov, D. V. Genetic evidence of natural hybridization between
Siberian stone pine, Pinus sibirica Du Tour, and dwarf Siberian pine, P. pumila (Pall.) Regel / D. V. Politov [et al.] // Forest Genetics. - 1999. - V. 6, № 1. - P. 41-48.
Politov, D. V. Phylogenetics, Genogeography and Hybridization of Five-Needle Pines in Russia and Neighboring Countries /
D. V. Politov, K. V. Krutovsky // Breeding and genetic resources of five-needle pines: growth, adaptability, and pest resistance; 2001 July 23-27; Medford, OR, USA. IUFRO Working Party 2.02.15. Proceedings RMRS-P-32. Fort Collins CO / ed. By R. A. Sniezko [et. al.]. - U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Rocky Mountain Research Station, 2004. - P. 85-97.
Politov, D.V. Coniferous Forests of Baikal Lake Region: Native Population Genetic Structure and Human Impact. UNESCO Programme on Man and the Biosphere (MAB), [Электронный ресурс] / D. V. Politov. - Unesco.org, 1998. - Режим доступа:
http://www.unesco.org/mab/capacity/mys/97/Politov/Polito v.htm. - Загл. с экрана.
Tomback, D. F. Whitebark Pine: Ecological Importance and Future Outlook / D. F. Tomback // Proceedings of the Conference Whitebark Pine: A Pacific Coast Perspective / US-DA Forest Service R6-NR-FHP, 2007. - Р. 6-19.
Wright, S. Evolution and the Genetics of Populations / S. Wright // Variability Within and Among Natural Populations, vol. 4. - Chicago : Press of Chicago University, 1978.
Поступила в редакцию 18 октября 2009 г. Принята к печати 25 февраля 2010 г.
