CC BY
271
раздел БИОЛОГИЯ и ЭКОЛОГИЯ
УДК 547 ( 470. 57)
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАСЛЕДСТВЕННОГО ПОЛИМОРФИЗМА ПО ПРИЗНАКУ «СЕДОГО» ПЯТНА НА ЛИСТЬЯХ РАСТЕНИЙ В ПОПУЛЯЦИЯХ TRIFOLIUM REPENS НА ТЕРРИТОРИИ г. УФЫ И НЕКОТОРЫХ РАЙОНОВ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН
© Р. Р. Валиев*, О. М. Яковлева
Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Фрунзе, 32.
Тел./факс: +7 (34 7) 273 6 7 78.
E-mail: valiev_radis@mail. ru
Проведен анализ генетического полиморфизма клевера ползучего (T. repens) методом количественного учета неоднородности популяций. Выявлены различия по частотам встречаемости генотипов и обнаружена зависимость степени гетерогенности популяций от уровня загрязнения среды произрастания и возраста популяции.
Ключевые слова: Trifolium repens, популяция, генетический полиморфизм, фенотип листа, частоты фенотипов и генотипов, множественные аллели.
Наличие «седого» пятна на листьях растений другом по степени доминирования. Аллель v рецес-
T. repens связано с нарушением нормального разви- сивна по отношению ко всем остальным аллелям:
тия хлорофилла в полисадных клетках листа. На- V, Vя, V, Vh, V, V, Vs и т. д. Аллель V доминиру-
следственный характер таких нарушений был дока- ет над VP, поэтому рисунки у генотипов и
зано для клевера на молекулярно-генетическом одинаковы [3]. Но чаще они действуют как
уровне с применением методов полимеразно-цепной неоморфы и в компаунде дают продукты обеих
реакции [1]. Данный признак генетически детерми- аллелей [4], поэтому в фенотипе проявляются пятна
нирован и определяется действием серии множест- обоих доминантных аллелей, например, генотип
венных аллелей гена V. Дж. Л. Брюбейкер [2] на- Vv имеет фенотип В, а Vhv - фенотип BH, но в
считывал более 11 аллелей этого гена. Члены серии компаунде VBhVB обнаруживается новый рисунок с
состоят в различных отношениях друг с фенотипом BBH (рис. 1; табл. 1).
2 З 4 б б 7 а
v V VH VB vBh VP VF VS
v • vv О * Vv A * VHv AH * VBv B * VBV BH Ф VPv C * VFv D * VSv E
2 V * VV A * Vh< AHA * VBV A (B) * vBh< ABH * VPV A (C) # VFV (A) D VSV AE
З VH * VHVH AH VHVE AH * VBhVH AH (BH) Ф VPVH AHC rn VFVH AHD * VSVH AHE
4 VE * VBVE B VBhVE BBH * VPVE B # VFVE BD ф VSVB BE
б vBh * vBhvBh BH # vPvBh BHC • vFvBh BHD vSvBh BHE
б VP * VPVP C 0 VFVP D * VSVP CE
7 VF + VFVF D VSVF D
а VS * VSVS E
Рис. 1. Гомо- и гетерозиготы (компаунды) по аллелям гена V, определяющего рисунок «седого» пятна на листьях T. repens.
* автор, ответственный за переписку.
Таблица 1
Генетическая детерминация разнообразия формы «седых» пятен на листьях клевера ползучего
Аллель Фенотип Символ фенотипа(фен)
v Пятно отсутствует О
V Полное пятно А
VH Полное пятно, высокое Ан
VB Разорванное пятно В
VBh Разорванное высокое Вн
VF Центральная верхняя точка С
VF Большое сплошное пятно D
у основания
VS Низкое треугольное пятно Е
у основания
Целью нашей работы был сравнительный анализ внутри- и межпопуляционной изменчивости клевера ползучего по признаку наличие и разнообразие формы «седого» пятна на листьях растений в различных экологических условиях: на территории и в окрестностях г. Уфы, а также в некоторых районах Республики Башкортостан (РБ).
Сбор растительного материала проводили на газонах (в г. Уфе), на пастбищах и по обочинам дорог (в районах и в окрестностях города). Для идентификации фенотипов брали листья растений на расстоянии 0.5-5.0 метров друг от друга. При анализе образцов растений клевера использовали таблицу, предложенную Дж. Л. Брюбейкером в 1966 г. [2]. В ней представлены 8 наиболее часто встречающихся аллелей гена V и 36 вариантов их взаимодействия в компаунде.
Для исследованных природных популяций находили частоты встречаемости различных генотипов и на основе этого составляли графики и проводили статистическую обработку данных в программном пакете Statistica: Basis Statistic and Tables.
Сбор растительного материала проводили в период обильного цветения клевера (июнь-июль) на территории Калининского и Октябрьского районов г. Уфы; Кармаскалинского и Иглинского районов РБ. Исследовано шесть популяций, среди которых молодые (внедряющиеся) и старые (довольно устоявшиеся). Всего за два года (2006-2007 гг.) собрано и проанализировано 8297 образцов растений. Обнаружено 19 комбинаций мутантных аллелей в гомо- и гетерозиготе из 36 в соответствии с методикой П. Я. Шварцмана (рис. 1, [5]). Точный генотип не установлен у 1-2% растений.
Во всех исследованных нами районах наблюдается преобладание растений без рисунка на листьях, т.е. рецессивных гомозигот (vv) - 22-38%. Высокая частота встречаемости компаундов: VFVBh (от 8.2 до 17.6%) и VVH (от 3 до 9.2%); гомозигот: VHVH (от 5.7 до 13%), VsVs(от 3.4 до 9.2%), VV (от 5 до 8%) и гетерозиготы Vv (от 5.4 до 10.6%, рис. 2).
Реже встречаются растения с генотипами VV - (3-7%); VBv - (2-4.6%), VFv - (1.5-6%), VFV -(1.5—4.8%), VFVF - (3.5-6%), VBhv - (1.5-4%), VHVB -(0.7—3.9%), Vv - (0.5-2.6%), и VBhVBh - (1.1-2.3%). Меньше одного процента частота встречаемости растений с генотипами: VBhV, VHV, VV, VV и VV (рис. 3).
Рис. 2. Наиболее часто встречающиеся варианты взаимодействия множественных аллелей гена V, определяющего рисунок «седого» пятна на листьях T. repens.
Рис. 3. Редко встречающиеся варианты взаимодействия множественных аллелей гена V, определяющего рисунок «седого» пятна на листьях T. repens.
Сравним между собой пастбищные популяции (рис. 4). Здесь клевер растет среди обильной луговой растительности сплошным ковром и подвергается частому вытаптыванию. Все эти популяции довольно устоявшиеся, возрастом более 100 лет. Тенденция распределения частоты встречаемости генотипов сохраняется, т.е. здесь мы также видим повышенную частоту встречаемости отдельных генотипов (они представлены на рис. 2) по сравнению с другими. В популяциях, в которых клевер больше растет скоплениями (рис. 5), мы обнаруживаем ту же тенденцию, однако, в отличие от пастбищных, здесь наблюдается повышение генетического разнообразия. Если в пастбищных популяциях выявлено 12-15 различных генотипов, то в молодых - 18-19. Повышение степени генетического разнообразия достигается за счет редко встречающихся генотипов (рис. 3). Растения с генотипом встречаются с частотой 0.5-2.3%; с генотипом - 0.5-1% - обнаружены только в Кар-маскалинском и Иглинском районах; ^Ур - с частотой 1.2-1.6% - обнаружены только в Октябрьском районе.
Рис. 4. Частота встречаемости разных генотипов по признаку «седого» пятна у растений T. repens в пастбищных популяциях.
Рис. 5. Частота встречаемости разных генотипов по признаку «седого» пятна у растений в молодых популяциях.
По мнению Л. Н. Денисовой [6], степень гетерогенности связан с возрастом популяции. Старые, длительно существующие, устоявшиеся популяции (к таковым относятся пастбищные) являются более однородными, более стабилизированы и представлены меньшим разнообразием генотипов. Данные популяции характеризируются однородным гено-
типическим составом. Если в них и встречаются растения с редкими генотипами, то все же в незначительном количестве (VBhVBh, VFVF, VBhV и другие) и в основном на периферии популяций. А молодые популяции, напротив, являются гетерогенными.
Тенденция уменьшения межпопуляционного разнообразия с течением времени была также обнаружена при исследовании популяций T. repens Р. Р. Валиевым, О. С. Мочаловой [7] в 2004-2005 гг. в северо-восточных районах РБ. Исследованы пастбищные популяции Дуванского и Нуримановского районов, где выявлено 5-7 генотипов с различным рисунком листа. Помимо возраста популяции, здесь большое значение имеет уровень загрязнения среды произрастания. В этом отношении Дуванский и Нуримановский относятся к экологически более чистым районам. Напротив, в г. Уфе и его окрестностях (Кировский, Калининский и Уфимский районы) - на территориях, загрязненных выхлопными газами дорог, выбросами нефтехимических предприятий, характерна тенденция повышения полиморфизма - обнаружено 10-12 генотипов.
Сравним полученные данные и рассмотрим среднюю частоту встречаемости разных генотипов за четыре года по исследованию признака рисунок листа растений T. repens (табл. 2).
Таблица 2
Средняя частота встречаемости разных генотипов (%) по признаку седого пятна у растений T. repens в исследованных популяциях (2004-2007 гг.)
Г енотипы
Год
2004
2005
2006
2007
vv 48.1 46.6 29.85 33
Vv - - 6.6 9.4
VV 1.1 0.9 6.2 5.7
VHv - - 1.5 1.0
VHVH 1.9 2.1 8.4 10
VBv 3.2 4.9 3.3 3.0
VHVB 2.2 3.0 2.1 1.7
VBVB - - 4.2 4.8
VBhv - - 1.4 0.5
VBhVBh - - 1.0 1.7
VPv 1.0 1.4 3.2 2.3
VPV 7.9 5.3 3.0 2.3
VPVH 13.3 10.8 5.1 3.1
VPVBh 14.4 17.3 11.7 9.3
VPVP 2.4 1.6 2.3 3.7
VFVF - - 0.5 0.1
VSVP - - 0.75 0.8
VSVS 1.4 1.2 5.3 5.3
VBhV - - 2.2 1.5
V* 2.0 0.9 1.7 0.8
Связь степени гетерогенности популяций T. repens от уровня загрязнения среды подчеркивается и в исследованиях Н. В. Глотова [8] на территории Западной Сибири. Здесь в результате интенсивной нефтедобычи обнаруживаются комплексные антропогенные изменения, включающие грубые механические нарушения ландшафтов, загрязнения нефтепродуктами и солеными водами. Популяции клевера в старых русских селах Среднего Приобья отличаются большим генотипическим разнообразием по сравнению с вновь возникающими здесь популяциями на насыпных территориях.
Характерной особенностью T. repens является то, что он очень хорошо адаптируется к широкому диапазону абиотических условий, устойчив к вытаптыванию. Однако в многовидовых сообществах клевер подавляется представителями других видов. Возникает своеобразное равновесие: в экологически чистых местообитаниях лучше абиотические условия, но острее ценотический стресс; а в загрязненных - хотя и имеет место токсические эффекты нефтепродуктов, но практически полностью снята конкуренция. В результате нет никаких причин для изменения вектора отбора или резких пластических реакций.
Поэтому T. repens можно использовать в качестве фенотипического биоиндикатора оценки состояния окружающей среды и уровня антропогенного воздействия. Так как на экологически напряженных территориях под воздействием антропогенных факторов окружающей среды естественный отбор и мутационный процесс приводит к расширению наборов фенов, увеличению частоты их встречаемости и появлению в популяциях специфических «городских» фенотипов [9].
Механизм поддержания полиморфизма может быть обоснован адаптивными эффектами сверхдоминирования, когда различные аллели сохраняются в популяции благодаря балансирующему отбору, дающему преимущество гетерозиготным особям [10]. Однако не все гетерозиготы имеют преимущество перед гомозиготами. Согласно теории нейтральности [11], большинство молекулярных вари-
антов, которые становятся полиморфными, исходно подвергаются действию мутаций, образующих новый вариант, и генетическому дрейфу, приводящему к действительной фиксации этих вариантов [12].
По-видимому, в природных популяциях T. repens осуществляется движущий отбор, направленный на повышение частоты встречаемости отдельных генотипов. Причиной этому могут служить антропогенные воздействия на среду или отклонения от нормы экологических факторов: режима освещения, открытости пространства опылителям, значения влажности и температуры воздуха во время роста листьев и др. [13].
Таким образом, межпопуляционные различия по степени полиморфизма T. repens связаны с возрастом популяций и с влиянием многих экологических и антропогенных факторов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hamilton R. S., Cresswell A. // Iger Innovations, 1999. С. 1215.
2. Брюбейкер Дж. Л. Сельскохозяйственная генетика. М.: Колос, 1966. - 223 с.
3. Валиев Р. Р., Яковлева О. М. // Проблемы экологии в современном мире. Тамбов: Тамб. гос. ун-т им. Г. Р. Державина, 2007. С. 24-27.
4. Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. М.: Высш. шк., 1989. - 590 с.
5. Шварцман П. Я. Полевая практика по генетике с основами селекции. М.: Просвещение, 1986. - 111 с.
6. Денисова Л. Н. // Популяция растений: принципы организации и проблемы охраны природы. Йошкар-Ола: Марийский гос. ун-т, 1991. С. 27-28.
7. Валиев Р. Р., Мочалова О. С. // Проблемы и перспективы экологического образования и воспитания. Бирск: Бирск. гос. соц.-пед. акад., 2006. С. 19-22.
8. Глотов Н. В., Максименко О. Е., Орлинский Д. Б. // Экология. 1995. №5. C. 344-346.
9. Остапенко З. И. Экологическая ситуация города Тынды. Тында, 2004. - 209 с.
10. Dobzhansky Th. Genetics of the evolutionary process. Colum. Univ. Press. N. J. 1970.
11. Кимура М. Молекулярная эволюция: теория нейтральности. М.: Мир, 1985. - 308 с.
12. Хедрик Ф. Генетика популяций. М.: Техносфера, 2003. -592 с.
13. Северцов А. С. Теория эволюции. М.: Гуманитар. изд.
Центр ВЛАДОС, 2005. - 380 с.
Поступила в редакцию 12.05.2008 г.
