Динаміка генетичної структури природних популяцій деяких видів родини Pinaceae Lindl - Автореферат

В ізольованих популяціях перехресно запилюваних рослин з низькою чисельністю, а також у популяціях на межі природних ареалів видів, де дія лімітуючих факторів середовища може бути особливо впливовою, можливий розвиток несприятливого генетичного процесу через зміни у співвідношенні часток інбридингу і ауткросингу (Алтухов, 2003). Don), сосни крейдяної (P. sylvestris var. cretacea Kalenicz. ex Kom.), сосни звичайної (P. sylvestris L.) та ялини європейської (Picea abies (L.) Karst.) (Silin, Goncharenko, 1996; Гончаренко и др., 1993; Коршиков, 1996; Гончаренко, Падутов, 2001; Коршиков, Тунда 2004; Коршиков и др., 2005). Однак у цих роботах вивчено генетичну структуру та диференціацію популяцій зазначених видів з використанням генеративно зрілих рослин і майже зовсім не досліджено питання порівняльного аналізу генетичної структури різновікових популяцій, її підтримання у насіннєвому потомстві, не аналізовано систему схрещування та її динаміку у різні роки, а також її звязок з насіннєвою продуктивністю рослин. порівняти ступінь подібності генетичної структури дорослих дерев та зародків їх насіння у реліктових популяціях сосни крейдяної у Донецькій області та сосни звичайної на Кременецькому горбогірі; Вперше в Україні на основі даних алозимної мінливості проаналізовано особливості підтримання генетичної структури материнських дерев реліктових популяцій сосни крейдяної та сосни звичайної, маргінальних популяцій сосни кримської та ялини європейської у їх насіннєвому потомстві та встановлено значний дефіцит гетерозиготних генотипів на ранній стадії онтогенезу.На основі аналізу мінливості ізоферментних локусів, що контролюють ферментні системи GOT, GDH, SOD, LAP, ACP, MDH, 6PGD у дерев і зародків їх насіння популяцій сосни крейдяної, сосни звичайної, сосни кримської і ялини європейської в Україні встановлено, що алельна різноманітність цих популяцій відтворюється у їх насіннєвому потомстві. На ранній онтогенетичній стадії (зародки насіння) у досліджуваних популяціях встановлено істотний надлишок гомозигот і суттєво нижчий рівень наявної гетерозиготності порівняно з рослинами репродуктивного віку. Найменшу (56,4%) частку ауткросингу встановлено в популяції сосни звичайної Кременецького горбогіря; в популяції сосни крейдяної у Донецькій області вона склала 75,4%; в популяції сосни кримської у Гірському Криму - варіювала від 41,8 до 89,4% у різних висотних поясах та в середньому дорівнювала 65,7%; у двох популяціях ялини європейської в Українських Карпатах - 72,1 і 78,3% відповідно. Частка ауткросингу в популяціях сосни крейдяної і сосни кримської варіює у різні роки, що відбивається на генетичних параметрах насіннєвого потомства. У популяції сосни кримської у різних висотних поясах Гірському Криму за досліджуваними локусами не встановлено чіткої генетичної диференціації вибірок дерев і зародків їх насіння, що вказує на відсутність чітких ізоляційних барєрів, що обмежують потік генів у межах одного макросхилу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Природна динаміка популяційних генофондів деревних рослин (огляд літератури)

1. На основі аналізу мінливості ізоферментних локусів, що контролюють ферментні системи GOT, GDH, SOD, LAP, ACP, MDH, 6PGD у дерев і зародків їх насіння популяцій сосни крейдяної, сосни звичайної, сосни кримської і ялини європейської в Україні встановлено, що алельна різноманітність цих популяцій відтворюється у їх насіннєвому потомстві. У вибірках дерев відмічено рідкісні, а у зародків насіння - численні випадки порушень розподілу генотипів згідно закону Харді-Вайнберга.

2. На ранній онтогенетичній стадії (зародки насіння) у досліджуваних популяціях встановлено істотний надлишок гомозигот і суттєво нижчий рівень наявної гетерозиготності порівняно з рослинами репродуктивного віку.

3. Причина надлишку гомозигот у зародків насіння в досліджуваних популяціях - інбридинг, обумовлений надмірним самозапиленням рослин. Найменшу (56,4%) частку ауткросингу встановлено в популяції сосни звичайної Кременецького горбогіря; в популяції сосни крейдяної у Донецькій області вона склала 75,4%; в популяції сосни кримської у Гірському Криму - варіювала від 41,8 до 89,4% у різних висотних поясах та в середньому дорівнювала 65,7%; у двох популяціях ялини європейської в Українських Карпатах - 72,1 і 78,3% відповідно.

4. Частка ауткросингу в популяціях сосни крейдяної і сосни кримської варіює у різні роки, що відбивається на генетичних параметрах насіннєвого потомства.

5. У сосни крейдяної відмічено внутрішньопопуляційну вікову динаміку генетичної структури. Серед молодих, середніх та старих генеративних дерев останні відрізнялись істотно меншим рівнем наявної гетерозиготності. Встановлено збільшення з віком рослин частот найбільш поширених у популяції алелів.

6. Реліктові популяції сосни крейдяної на крейдяних відслоненнях басейну р. Сіверський Донець і сосни звичайної на дерново-карбонатних ґрунтах Кременецького горбогіря мають близький рівень генетичної мінливості та високу подібність генетичної структури, що свідчить про внутрішньовидовий статус сосни крейдяної.

7. У популяції сосни кримської у різних висотних поясах Гірському Криму за досліджуваними локусами не встановлено чіткої генетичної диференціації вибірок дерев і зародків їх насіння, що вказує на відсутність чітких ізоляційних барєрів, що обмежують потік генів у межах одного макросхилу.

8. Виявлено генетичні відмінності у дерев сосни кримської з різним рівнем насіннєвої продуктивності. Деревам з максимумом повного насіння у шишці властивий найвищий рівень гетерозиготності, а рослинам з максимумом порожнього і мінімумом повного насіння - найменший. Для зародків найбільшу гетерозиготність встановлено у потомстві рослин з максимальною продуктивністю повного насіння. Генетичні особливості материнських дерев великою мірою визначають генетичну якість насіння.

9. Встановлено найвищу (78,2%) частку ауткросингу серед альтернативних за насіннєвою продуктивністю вибірок рослин сосни кримської у дерев з максимумом порожнього, а мінімальну (60,5%) - з мінімумом повного насіння у шишках. Рослини з максимумом повного насіння у шишці характеризувалися більшою (73,1%) часткою ауткросингу, ніж в середньому в популяції.

10. Визначено маркерні локуси для виділення в популяціях сосни кримської і сосни крейдяної дерев, які продукують велику кількість гетерозиготного насіння.

1. Мудрик Е.А., Горлова Е.М. Генетическая гетерогенность семенного потомства природной популяции сосны крымской (Pinus pallasiana D. Don) // Промышленная ботаника. - 2003. - Вып. 3. - С. 91-94. (Мудрик О.А. приймала участь у експерименті, здійснювала статистичну обробку та інтерпретацію отриманих результатів, підготувала статтю).

2. Коршиков И.И., Мудрик Е.А., Калафат Л.А. Основные критерии оценки и мониторинга внутривидового популяционно-генетического разнообразия // Проблемы экологии и охраны природы техногенного региона: Межведомств. сб. науч. работ / Отв. ред. С.В. Беспалова. - Донецк: ДОННУ, 2003. - Вып. 3. - С. 19-26 (Дисертанткою прийнято участь у написанні оглядової частини та формулюванні висновків статті).

3. Коршиков И.И., Мудрик Е.А. Генетическая гетерогенность урожая семян разных лет в природной популяции сосны крымской // Фактори експериментальної еволюції організмів: Зб. наук. праць / за ред. М.В. Роїка. - К.: КВІЦ, 2004. - С.234-238. (Мудрик О.А. проведено ізоферментний аналіз та статистичну обробку даних, прийнято участь у інтерпретації результатів та формулюванні висновків статті).

4. Коршиков И.И, Мудрик Е.А., Терлыга Н.С. Анализ генетической гетерогенности зародышей семян у деревьев с разной семенной продуктивностью в популяции сосны крымской (Pinus pallasiana D. Don) в Крыму // Цитология и генетика. - 2005. - Т.39, №2. - C. 27-33. (Здобувачем здійснено генетичну частину експерименту і статистичну обробку даних, прийнято участь у проведенні аналітичних робіт, інтерпретації отриманих результатів і формулюванні висновків).

5. Мудрик Е.А. Мультилокусная структура отцовских гамет у зародышей семян Pinus pallasiana D.Don из популяции Горного Крыма // Промышленная ботаника. - 2005. - Вып. 5. - С. 257-262.

6. Коршиков И.И., Пирко Я.В., Великоридько Т.И., Бычков С.А, Терлыга Н.С., Калафат Л.А., Горлова Е.М., Мудрик Е.А. Популяционно-генетическая изменчивость коренных в Украине видов рода Pinus L. // Актуальные проблемы генетики: Матер. 2-й конф. Московского о-ва генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова (г. Москва, 20-21 февраля 2003 г.). - М.: МСХА, 2003. - Т. 1. - С. 110-111.

7. Мудрик Е.А. Воспроизводство генетического разнообразия природной популяции сосны крымской (Pinus pallasiana D. Don) в ее семенном потомстве // Экология 2004: Эстафета поколений: Матер. III Пущинской междунар. школы-семинара по экологии (г. Пущино, 27-29 апреля 2004 г.) - М.: МГУЛ, 2004. - с. 55.

8. Мудрик Е.А. Отличия в гетерозиготности материнских растений и семенного потомства в природной популяции сосны меловой (Pinus sylvestris var. cretacea Kalenicz. ex Kom.) в Национальном природном парке "Святые горы" // збереження біорізноманітності на південному сході України: Матер. наук.-практ. конф. (м. Донецьк, 14 вересня 2004 р.). - Донецьк: ТОВ “Лебідь”, 2004. - С. 75.

9. Коршиков И.И., Мудрик Е.А., Терлыга Н.С. Анализ системы скрещивания сосны крымской (Pinus pallasiana D. Don) в популяции Горного Крыма // Сучасні проблеми фізіології та інтродукції рослин: Матер. Всеукр. наук.-практ. конф. (м. Дніпропетровськ, 5-6 квітня 2005 р.) - Дніпропетровськ: ДНУ, 2005. - С. 74-75.

10. Мудрик Е.А. Многолокусная оценка перекрестного опыления растений в популяции сосны меловой (Pinus sylvestris var. cretacea Kalenicz. ex Kom.) // Актуальні проблеми фізіології, генетики та біотехнології рослин і грунтових мікроорганізмів: Тези доп. IX конф. молодих дослідників (м. Київ, 24-25 лютого 2005 р.) - Київ: ІФРІГ НАНУ, 2005. - С. 59.

11. Мудрик Е.А. Мультилокусная структура отцовских гамет зародышей семян у деревьев с разной семенной продуктивностью в популяции Pinus pallasiana D. Don в Горном Крыму // Відновлення порушених природних екосистем: Матер. Другої міжнар. наук. конф. (м. Донецьк, 6-8 вересня 2005 р.). - Донецьк: ТОВ "Лебідь", 2005. - С. 175-176.

12. Мудрик Е.А. Система скрещивания природной популяции сосны меловой (Pinus sylvestris var. cretacea Kalenicz. ex Kom) в Донбассе // Проблемы лесоведения и лесоводства (Институту леса НАН Беларуси - 75 лет): Сб. науч. тр. ИЛ НАН Беларуси. - Гомель: ИЛ НАН Беларуси, 2005. - Вып. 3. - С. 165-167.

Мудрик О.А. Динаміка генетичної структури природних популяцій деяких видів родини Pinaceae Lindl. в Україні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.15 - генетика. Інститут клітинної біології і генетичної інженерії НАН України, Київ, 2006.

Дисертацію присвячено дослідженням динаміки генетичної структури природних популяцій сосни крейдяної, сосни звичайної, сосни кримської і ялини європейської в Україні з використанням ізоферментів в якості генетичних маркерів. Встановлено відтворення алельної різноманітності материнських дерев і дефіцит гетерозиготних генотипів у насіннєвому потомстві всіх популяцій. Вибірки генеративних рослин в популяціях знаходяться у рівноважному стані генотипів згідно закону Харді-Вайнберга, а у вибірках зародків їх насіння генотипічна рівновага зміщена у бік надлишку гомозигот. У популяції сосни крейдяної встановлено зниження рівня гетерозиготності і збільшення частоти предомінантних алелів з віком рослин. Доведено, що реліктові популяції сосни крейдяної у Донецькій області та сосни звичайної на дерново-карбонатних ґрунтах Кременецького горбогіря мають близький рівень генетичної мінливості та подібну генетичну структуру. У гірській популяції сосни кримської не визначено чіткої генетичної диференціації дерев і їх насіннєвого потомства за висотним градієнтом. Встановлено, що насіннєва продуктивність сосни кримської залежить від гетерозиготності дерев та частки ауткросингу. Досліджено динаміку ауткросингу у різні роки в популяціях сосни кримської та сосни крейдяної. Визначено локуси дерев сосни крейдяної і сосни кримської, що продукують велику кількість гетерозиготного насіння.

Ключові слова: генетична структура, мінливість, диференціація, гетерозиготність, гетерогенність, система схрещування, ізоферменти, популяція, насіннєве потомство.

Мудрик Е.А. Динамика генетической структуры природных популяций некоторых видов семейства Pinaceae Lindl. в Украине. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.15 - генетика. Институт клеточной биологии и генетической инженерии НАН Украины, Киев, 2006.

Диссертация посвящена исследованиям динамики генетической структуры природных популяций сосны меловой, сосны обыкновенной, сосны крымской и ели европейской в Украине с использованием изоферментов в качестве молекулярно-генетических маркеров. Установлено, что аллельное разнообразие этих популяций поддерживается в их семенном потомстве. У материнских растений во всех популяциях отмечены очень редкие, а у зародышей их семян - многочисленные случаи нарушений фактического распределения генотипов от теоретически ожидаемого равновесия согласно закону Харди-Вайнберга.

На ранней онтогенетической стадии (зародыши семян) в изучаемых популяциях установлен существенный избыток гомозигот и заметно более низкий средний уровень наблюдаемой гетерозиготности в сравнении с генеративными растениями. Избыток гомозигот в выборках зародышей, как правило, связан с избыточным самоопылением материнских растений. По многолокусной оценке наименьшая (56,4 %) доля ауткроссинга установлена в небольшой реликтовой популяции сосны обыкновенной на дерново-карбонатных почвах Кременецкого холмогорья. В популяции сосны меловой на меловых обнажениях в бассейне р. Северский Донец средняя доля ауткроссинга составила 75,4 %; в горной популяции сосны крымской в Крыму она варьировала от 41,8 до 89,4 % в разных высотных поясах и в среднем составила 65,7 %; в двух популяциях ели европейской в Украинских Карпатах - 72,1 и 78,3 % соответственно. Динамика доли ауткроссинга в разные годы (1996-1997 гг.) в популяции сосны крымской отражалась на среднем уровне гетерозиготности семенного потомства, а в потомстве разновозрастных групп деревьев сосны меловой в два года исследований (2003-2004 гг.) - нет.

В реликтовой популяции сосны меловой среди растений трех возрастных групп наименее низкий средний уровень наблюдаемой гетерозиготности свойственен наиболее старым генеративным деревьям. Анализ системы скрещивания показал, что наряду с самоопылением, инбридинг в популяции сосны меловой также вызван близкородственными скрещиваниями. Старовозрастные деревья и их семенное потомство реликтовых популяций сосны меловой на меловых обнажениях в бассейне р.Северский Донец и сосны обыкновенной на дерново-карбонатных почвах Кременецкого холмогорья характеризуются близким уровнем генетической изменчивости и высоким сходством генетической структуры, что свидетельствует о внутривидовом статусе сосны меловой.

В популяции сосны крымской не установлено четко выраженной генетической дифференциации выборок деревьев и зародышей их семян в разновысотных поясах одного макросклона в Горном Крыму, что свидетельствует об отсутствии жестких изоляционных барьеров, ограничивающих поток генов между растениями. Установлены два наиболее распространенных гаплотипа отцовских гамет сосны крымской по трем полиморфным локусам: Got-21.00Got-31.00Gdh1.00 и Got-21.12Got-31.00Gdh1.00.

Выявлены генетические отличия у деревьев сосны крымской с разным уровнем семенной продуктивности. Деревьям с максимумом полных семян в шишке присущ наиболее высокий уровень гетерозиготности, а растениям с максимумом пустых и минимумом полных семян в шишке - наименьший. Среди выборок зародышей семян альтернативных посеменной продуктивности выборок материнских растений наибольшая средняя гетерозиготность установлена в потомстве деревьев с максимальной продуктивностью полных семян, свидетельствуя, что генетическое качество семян во многом зависит от генетических особенностей материнских деревьев. Наиболее высокая (78,2 %) доля ауткроссинга среди альтернативных посеменной продуктивности выборок растений сосны крымской установлена у деревьев с максимумом пустых, а минимальная (60,5 %) - с минимумом полных семян в шишках. Растения, продуцирующие максимальное количество полных семян в шишках, характеризовались большей (73,1 %) долей ауткроссинга, чем в среднем в популяции.

Определены изоферментные локусы, по которым в популяциях сосны меловой и сосны крымской можно выделять деревья, продуцирующие большое количество гетерозиготных семян. Использование этих локусов в качестве маркерных для отбора деревьев при создании искусственных насаждений данных пород позволит уменьшить долю гомозиготных проростков на семенных плантациях.

Ключевые слова: генетическая структура, изменчивость, дифференциация, гетерозиготность, гетерогенность, система скрещивания, изоферменты, популяция, семенное потомство.

Mudrik E.A. Genetic structure dynamics of the natural populations of some family Pinaceae Lindl. species in Ukraine. - Manuscript.

Thesis for a Candidates degree in Biological Science on Speciality 03.00.15 - Genetics. Institute of Cell Biology and Genetic Engineering, Nat. Ukr. Acad. Sci., Kyiv, 2006.

The thesis is devoted to genetic dynamics investigations of Pinus sylvestris var. cretacea Kalenicz. ex Kom., P. sylvestris L., P. pallasiana D. Don and Picea abies (L.) Karst. natural populations in Ukraine using isozymes as a genetic markers. The maintenance of maternal trees allele diversity and the deficiency of heterozygous genotypes in the seed progenies of all investigated populations have been revealed. The adults samples of studied populations are in genotype equilibrium according Hardy-Weinberg low whereas the embryos samples are in genotype disequilibrium due to excess of homozygotes. Both decreasing of heterozygosity level and increasing of predominant alleles frequency with the age of the plants have been fixed in Pinus sylvestris var. cretacea population. It has been determined that relic P.sylvestris var. cretacea population growing on carbonate soils in Donetsk region and P.sylvestris population on carbonate soils of Cremenets holly region have similar genetic structure and genetic variation level. The absence of strict genetic differentiation of trees and their seed progenies along elevation gradient in mountainous P. pallasiana population has not been found. It has been determined that P.pallasiana seed productivity depends on trees heterozygosity and level of outcrossing. It has been investigated the temporal outcrossing dynamics in P.pallasiana and P.sylvestris var. cretacea populations. It has been determined the loci of P.sylvestris var. cretacea and P.pallasiana trees producing a big amount of heterozygous seeds.

Key words: genetic structure, variation, differentiation, heterozygosity, heterogeneity, mating system, isozymes, population, seed progeny.

Размещено на .ru