CC BY
206
УДК 633.322:[575.174.015.3+575.22](045)
ШАРЫГИНА Нина Васильевна, кандидат биологических наук, доцент кафедры зоологии и методики обучения биологии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор 40 научных публикаций
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВНУТРИ- И МЕЖПОПУЛЯЦИОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПО ПРИЗНАКУ «СЕДОГО» ПЯТНА НА ЛИСТЬЯХ РАСТЕНИЙ TRIFOLIUM REPENS В ПОПУЛЯЦИЯХ НА ТЕРРИТОРИИ г. АРХАНГЕЛЬСКА
В работе представлены результаты исследований внутри- и межпопуляционной изменчивости, связанной с полиморфизмом в трех популяциях клевера ползучего на территории г. Архангельска. Дана сравнительная характеристика генетического разнообразия по признаку седого пятна на листьях T. repens, определяемого серией множественных аллелей гена V.
Клевер ползучий (Т. repens), популяция, генетический полиморфизм, частоты генотипов и фенотипов
Исследование внутри- и межпопуляционной изменчивости связано с изучением полиморфизма - обычного состояния природных популяций, характеризующихся наличием в группе особей нескольких вариантов признака (аллели, фенотипы, генотипы или градации количественных признаков). Внутрипопуля-ционный генетический полиморфизм, одно из проявлений генетической гетерогенности, первично возникающий за счет непрерывно текущего мутационного процесса - поставщика новых наследственных изменений, поддерживается и усиливается за счет процессов комбинации существующего в природной
© Шарыгина Н.В., 2011
популяции генетического материала. Это происходит под действием различных эволюционных сил - естественного отбора, случайных колебаний потока аллелей внутри и между популяциями в пространстве и времени. Генетическая гетерогенность происходит также под влиянием различных систем скрещивания, гетерозиготности и доминирования [1].
Зависимость степени генетического разнообразия популяций, в т.ч. и популяций Trifolium repens, от уровня загрязнения окружающей среды подчеркивается в работах [2-4]. В этой связи проблема поиска возможных естественных фенотипических биоиндикато-
ров оценки состояния окружающей среды и антропогенного воздействия на составляющих популяцию особей является актуальной.
В связи с этим в настоящей работе предпринята попытка изучить генетическое разнообразие в популяциях белого клевера, находящихся на различных по экологической напряженности местообитаниях в условиях города, по полиморфному признаку «седого» пятна на листьях растений, определяемого серией множественных аллелей гена V.
Материал и методы исследований. Trifolium repens (клевер ползучий) - многолетнее травянистое растение с зимующей розеткой прикорневых листьев. Листья с крупными прилистниками, тройчатосложные, стебли ползучие, иногда достигающие длины 50 см, укрепляющиеся в узлах. Цветки белые, иногда с желтоватым, розоватым или зеленоватым оттенком. Бобы линейные двух- и четырехсеменные, семена мелкие, округлые, пестроокрашенные. Растет на лугах, среди кустарников, на опушках, на полях. Клевер ползучий также встречается как сорное растение на паровых полях, в посевах многолетних кормовых трав, на огородах, по дорогам, обычно группами и большими зарослями.
Белый ползучий клевер - ценное кормовое растение, содержащее больше белков, чем другие виды клевера. В ряде стран созданы коллекции разных линий белого клевера, различающихся по кормовым качествам, и ведется поиск генетических маркеров для поддержания стабильности этих линий. Одним из таких маркеров может быть окраска листьев [5].
Седые пятна на листьях белого клевера связаны с особой группой палисадных клеток, в которых нарушено нормальное развитие хлорофилла. По мнению исследователей, изучавших белый клевер [6], белое пятно на листе может быть результатом различной скорости роста эпидермальных клеток по сравнению с палисадными, вследствие чего палисадные клетки подвергаются более сильному действию света с последующим разрушением части хлорофилла.
Данный признак наследуется как моноген-ный и положение седого пятна на листе растения и его различные формы определяются серией множественных аллелей одного гена. В работе Брюбейкера [7] выявлено более 11 аллелей гена, который обозначается буквой «V» (см. рисунок).
Как видно из рисунка, аллель v рецессивна по отношению ко всем другим: V,Vh, Vb, Vbh, Vp, Vf и Vs. У белого клевера наиболее часто встречаются восемь типов пятен: полное Л-образное пятно (тип А), полное Л-образное высокое пятно (Ah), Л-образное, разорванное пятно (B), Л-образное, высокое, разорванное пятно (Bh), центральное пятно (C), большое пятно у основания (D), треугольное, низкое пятно у основания (E) и без пятна (О).
Исследовались три популяции клевера ползучего на территории г. Архангельска: обочины и газоны пр. Ломоносова, парк на ул. Галушина и Набережная р. Северной Двины (от ул. Комсомольской до ул. Поморской). Метод сбора образцов листьев - случайная выборка с растений, расположенных друг от друга с интервалом от 2 до 5 м, по одному среднему листу, одного размера. Объем выборки - не менее 100 растений [8]. Наблюдения проводились в период с июня по август в сезоны 2009, 2010 годов. Идентификация рисунка листьев (фенотип) осуществлялась в соответствии с таблицей Дж.Л. Брюбейкера (см. рисунок).
Для сравнительной характеристики генетического разнообразия в трех популяциях T. repens оценивались показатели частоты встречаемости генотипов (%), внутрипопу-ляционного разнообразия (и), доли редких фенотипов (h), учитывался показатель сходства популяций (r) и критерий идентичности (I) [9-11].
Результаты и их обсуждение. В табл. 1 представлены данные по частоте встречаемости разных генотипов по изучению рисунка седых пятен у клевера ползучего в трех популяциях на территории г. Архангельска.
Как видно из табл. 1 во всех исследованных популяциях T. Repens наиболее часто встречающимися фенотипами являются: пол-
1 V 2 V 3 Vм 4 Vе 5 \Л 6 \/Р 7 У 8 V8
1 V ♦ УУ 0 А * Ан В * \/% Вн Vpv с # Уу О * Уу Е
2 V vv А \Л/ АНА vвv А (В) АВН * vpv А (С) р VFV (А) О Р \Л/ АЕ
3 Vм * \/и\/н Ан Ф vнvв Ан ф уВИуН Ан (Вн) Р vpvн АНС # УУ1 Анй УУ АНЕ
4 Vе # \/в\/в В \/в,1\/в ввн # УРУВ в # У Vе во ф УУ ВЕ
5 уВЬ р уВЬуВЬ вн р уРуВЬ внс УУЬ Внй ф убуВИ ВНЕ
6 \/р р УРУР с * УУ р * УУ СЕ
7 \/р # \/р\/р ♦ УУ О
8 V3 УУ Е
Гомо- и гетерозиготы по аллелям гена V, определяющего фенотип листьев клевера ползучего (из Brew-baker, 1953)
Таблица 1
ЧАСТОТА ВСТРЕЧАЕМОСТИ РАЗНЫХ ГЕНОТИПОВ (%) ПО ПРИЗНАКУ «СЕДОГО» ПЯТНА У Т. REPENS В ИССЛЕДОВАННЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ
№ Генотип Символ фенотипа Частота встречаемости в %
Пр. Ломоносова Парк на ул. Галушина Набережная р. Северной Двины
1 vv О 35,3±3,35 31,1±4,56 27,7±4,45
2 VV А 8,8±1,98 7,8±2,64 9,9±2,97
3 VHVH Ан 21,6±2,88 23,3±4,16 7,9±2,68
4 VBVB В 1,5±0,75 - -
5 VBh VBh Вн 13,2±2,37 - 7,9±2,68
6 VPVP с 15,7±2,55 27,2±4,38 12,9±3,33
7 VPV СА - 10,7±3,04 13,8±3,43
8 VPVH САн 1,9±0,85 - 8,9±2,83
9 VHV АнА 1,9±0,85 - -
10 VSV Б Е - - 10,8±3,10
Таблица 2
ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗНООБРАЗИЯ ФЕНОТИПОВ В ТРЕХ ПОПУЛЯЦИЯХ Т. ШРЕШ г. АРХАНГЕЛЬСКА
Популяции Частоты < енотипов Численность, N Среднее число фенотипов, Ц Доля редких фенотипов h
УУ УУ унун увув « * урур уу 'Рун УнУ уу я
I Пр. Ломоносова 0,35 0,09 0,21 0,01 0,13 0,16 - 0,02 0,02 - 204 6,26±0,231 0,217±0,028
II Парк на ул. Г алушина 0,31 0,08 0,23 - - 0,27 0,10 - - - 103 4,63±0,128 0,074±0,025
III Набережная р. Северной Двины 0,28 0,10 0,08 - 0,08 0,13 0,14 0,09 - 0,11 101 7,69±0,153 0,039±0,019
Таблица 3
ПОКАЗАТЕЛЬ ПОПАРНОГО СХОДСТВА И КРИТЕРИЙ ИДЕНТИЧНОСТИ ДЛЯ ТРЕХ ПОПУЛЯЦИЙ Т. REPENS
Сравниваемые выборки І-ІІ п-ш І=ІІІ
Критерий идентичности, I 49,8 43,6 76,7
Показатель попарного сходства, г±\ 0.839±0,025 0,823±0,029 0,823±0,023
ное Л-образное пятно (тип А), Л-образное высокое пятно (А1), центральное пятно (С) и без пятна (О). Это более обычные аллели, присутствующие в популяциях, связанных общностью происхождения, из которых аллель V встречается на всем пространстве ареала. К редким, встречающимся с низкой частотой в единичной популяции на пр. Ломоносова, относится аллель Vb. Также среди редких выявлены растения с гомозиготным генотипом VbVb и гетерозиготы VpVh и VhV, у которых доминантные аллели действуют в компаунде, проявляясь в фенотипе пятнами обоих аллелей (двойные пятна).
В табл. 2 представлены данные, характеризующие разнообразие и долю редких фенотипов в исследованных популяциях белого клевера.
Из табл. 2 видно, что популяции I и II значимо различаются по среднему числу фенотипов, что свидетельствует о различной степени разнообразия в них, однако они отличаются друг от друга по характеру разнообразия: в популяции I высока доля редких фенотипов (В и А11), в то время как популяция II более выровненная по частотам фенотипов. В популяции III редкие фенотипы почти отсутствуют, однако генетическое разнообразие ее выше, чем в двух других.
В табл. 3 представлены результаты сравнительного анализа частоты фенотипов по показателю сходства популяций (г) и критерию идентичности (I), рассчитанных методом сравнения выборок [11].
Как видно из табл. 3 в попарно сравниваемых популяциях белого клевера наблюдаются значимые различия. В наибольшей степени по критерию идентичности от первых двух отличается генотипический состав растений популяции III, обитающей на Набережной р. Северной Двины.
Показатель сходства можно рассматривать как частоту общих фенотипов рисунка седых пятен в двух сравниваемых популяциях, т.к. сходство в них определяется теми фенотипами, которые являются общими для обеих популяций: О, А, А1, С.
Анализируя полученные результаты по изучению особенностей частоты встречаемости гено- и фенотипов по признаку седого пятна в городских популяциях белого клевера, необходимо выделить некоторые определяющие их факторы: загрязнение среды обитания, возраст популяции и антропогенное воздействие.
Если рассматривать связь степени генетического полиморфизма Т. герет от уровня загрязнения среды обитания и возраста популяции, то следует отметить, что самой молодой по возрасту, осваивающей экологически напряженную территорию газонов и обочин, является популяция на пр. Ломоносова, в которой обнаружено восемь комбинаций аллелей. Однако здесь в основном отмечена высокая частота трех аллелей гена V: V, V1 и V13, а ее генотипическая изменчивость достигается за счет небольшой доли редких генотипов: VbVb, VpVh, VhV.
Генетический состав природной парковой популяции белого клевера представлен растениями с пятью генотипами (см. табл. 1), хорошо адаптирован естественным отбором к экологически чистым условиям для сохранения сложившегося полиморфизма.
Популяция Т. гepens, обитающая на набережной р. Северной Двины, отличается большим генетическим разнообразием, которое возможно обусловливается экологически чистым местообитанием (отсутствие выхлопов автотранспорта), режимом освещения, открытостью пространства опылителям и др. В данной популяции выявлена относительно высокая частота нового фенотипа - треугольное, низкое пятно у основания листа.
Заключение. Таким образом, в настоящей работе, посвященной изучению сравнительной характеристики внутри- и межпопуля-ционной изменчивости по рисунку «седого» пятна в трех популяциях клевера ползучего, выявлен ряд особенностей распределения частоты встречаемости фенотипов, детерминированных серией множественных аллелей одного гена V. Обнаружено в исследованных популяциях Т. гepens 10 комбинаций мутантных аллелей в гомозиготе и гетерозиготе
(из 36, в соответствии с рисунком), с преимущественным преобладанием частот фенотипа О (без пятна). Выявлено 4 общих фенотипа с высокой частотой встречаемости в каждой из популяций белого клевера.
Полиморфизм в популяциях Trifolium repens создается естественным отбором и мутационным процессом, направленными
на повышение частоты встречаемости отдельных комбинаций мутантных аллелей. Межпопуляционные различия в наборах фенотипов и вариабельности частоты их встречаемости связаны также с различиями в местообитании, отклонениями в действии экологических факторов, антропогенными воздействиями на среду.
Список литературы
1. Яблоков А.В. Популяционная биология. М., 1987.
2. Экология. 1995. № 5 С. 344-346.
3. Остапенко З.И. Экологическая ситуация города Тынды. Тында, 2004.
4. Валиев Р.Р., Яковлева О.М. Сравнительная характеристика наследственного полиморфизма по признаку «седого» пятна на листьях растений в популяциях T. repens на территории г. Уфы и некоторых районов республики Башкортостан // Вестн. Башкир. ун-та. 2008. Т. 13, № 2.
5. Генетические экскурсии на Белом море: учеб.-метод. пособие / С.В. Мыльников, Л.В. Барабанова, Л.В. Бондаренко и др. / под ред. С.А. Кожина. СПб., 2006.
6. Inheritance and Frequencies of Leaf Markings in White Clover / H.L. Carnahan, H.D. Hill, A.A. Hanson,
K.G. Brown // J. Hered. 1955. Vol. XLVI, № 3. P. 109-114.
7. Brewbaker J.L. V-leaf Markings of White Clover // J. Hered. 1955. Vol. XLVI, № 3. P. 115-125.
8. Шварцман П.Я. Полевая практика по генетике с основами селекции. М., 1986.
9. Животовский Л.А. Показатель сходства популяций по полиморфным признакам // Журн. общ. биологии. 1979. Т. 40, № 4. С. 587-602.
10. Он же. Показатель внутрипопуляционного разнообразия // Журн. общ. биологии. 1980. Т. 41, № 6. С. 828-836.
11. Он же. Фенетика природных популяций / под ред. А.В. Яблокова. М., 1988.
Sharygina Nina
COMPARATIVE CHARACTERISTICS OF INTRA-AND INTERPOPULATION VARIABILITY ON THE BASIS OF «GRAY» SPOTS ON THE LEAVES OF TRIFOLIUM REPENS PLANTS IN POPULATIONS ON THE TERRITORY OF ARKHANGELSK
The study results of intra- and interpopulation variability associated with polymorphism in the three populations of creeping trefoil on the territory of Arkhangelsk are presented in the paper. A comparative characteristic of the genetic diversity on the grounds of a «gray» spot on the leaves of T. repens determined by a series of multiple V alleles is given.
Контактная информация: e-mail: c.zoolog@pomorsu.ru
Рецензент - Морозова Л.В., доктор биологических наук, доцент, заведующая кафедрой биологии и экологии человека Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова
