Генетическая изменчивость дифференциация и таксономические взаимоотношения у лиственниц сибирской (стр. 1 из 4)

Лиственницы являются одними из главных структурных компонентов светлохвойной тайги. Площадь их лесов на постсоветском пространстве составляет 45% в структуре хвойных насаждений. Благодаря быстрому росту, высокой продуктивности (свыше 1000 м³ с га) (Пугач, 1985) лиственницы способны существенно повышать продуктивность лесов и поэтому широко внедряются в лесные культуры, в том числе и на территории республики Беларусь. Качество и продуктивность создаваемых лиственничных насаждений напрямую зависит от генофонда используемого семенного и посадочного материала. Поэтому, вопрос о том, генофонд какого вида наиболее успешно можно использовать для создания лиственничных культур, приобретает особую актуальность.

В настоящее время род Larix объединяет более двадцати различных видов (Козубов, Муратова, 1986). Считается, что наибольше видовое разнообразие лиственниц сосредоточено в сибирско-дальневосточном регионе Палеарктики (Дылис, 1961; Бобров, 1978). Несмотря на то, что в последние годы в различных лабораториях были проведены интенсивные генетические исследования лиственниц Палеарктики с использованием изоферментов и фрагментов ДНК (Mejnartowicz, Bergmann, 1975; Paule, Gömöry 1995; Тимерьянов и др., 1986; Потенко, Разумов, 1996; Гончаренко, Силин, 1997; Lewandowski, 1997; Semerikovetal., 2003; Гончаренко,Шевцова, 2004; Ларионова и др. 2004; Козыренко и др. 2004), ряд вопросов касающихся уровня генетической изменчивости, дифференциации и генетико-таксономических взаимоотношений для видов этого региона не решены окончательно.

Целью нашей работы было на основании 20 изоферментных генов определить уровень генетической изменчивости и дифференциации трех видов – лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.), лиственницы Сукачева (L. sukaczewiiDyl.)и лиственницы даурской (L. dahuricaTurcz.=L. gmeliniiRupr.) – и уточнить их генетико-таксономический статус.

1. Материалы и методы исследования

При исследовании генетической изменчивости и таксономических взаимоотношений у трёх видов лиственниц Палеарктики нами был использован материал 160 деревьев из двух природных популяций лиственницы сибирской, одной популяций лиственницы даурской и одной популяции лиственницы Сукачева. Две исследованные природные популяции лиственницы сибирской расположены на территории Западной Сибири. Одна из них находится в смешанном горном лесном массиве Алтая, а другая в лиственничнике Западно-сибирской низменности, к северу от г. Томска. Проанализированная популяция так называемой лиственницы Сукачева представляет собой природное насаждение, расположенное на территории Центрального Урала. Семенной материал лиственницы даурской был собран с деревьев, произрастающих в лиственничнике недалеко от г. Хабаровска.

В качестве экспериментального материала при электрофоретическом фракционировании служили ткани гаплоидных эндоспермов и диплоидных зародышей. Для определения генотипа каждого дерева проводился анализ 10-20 эндоспермов, которые выбирались случайно из набора семян, полученного как минимум из пяти шишек, собранных из различных частей кроны дерева. Так как вероятность ошибочного отнесения гетерозиготных деревьев к гомозиготным рассчитывается из соотношения Р = 0.5 ^n–1 (где n – количество проанализированных эндоспермов), то даже при анализе 8 эндоспермов ошибка составляет менее 1%.

Электрофоретический анализ проводили в горизонтальных камерах в 13-14% крахмальном геле по методам, подробно описанным нами ранее (Гончаренко и др. 1989). Электрофорез проводили в трёх буферных системах: А – Трис - ЭДТА- боратная, рН 8,6; В – Трис-цитрат, рН 6,2 / Трис-НСl, рН 8,0; С – Трис-цитратная, рН 6,2. Название ферментов, кодовый номер согласно изданию “Номенклатура ферментов” (1979), предпочитаемая для анализа буферная система, а также количество используемых локусов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Ферменты, их кодовый номер, буферные системы и количество локусов, использованные для анализа популяций лиственницы сибирской, лиственницы Сукачева и лиственницы даурской.

Фермент	Аббревиатура	Кодовый номер	Буферная система	Количестволокусов
Аконитаза	АСО	4.2.1.3.	C	1
Аспартатаминотрансфераза	ААТ	2.6.1.1.	А	3
Глутаматдегидрогеназа	GDH	1.4.1.2.	A	1
Глюкозофосфатизомераза	GPI	5.3.1.9.	С	1
Изоцитратдегидрогеназа	IDH	1.1.1.42.	B	1
Лейцинаминопептидаза	LAP	3.4.11.1.	B	2
Малатдегидрогеназа	MDH	1.1.1.37.	C	4
Фосфоглюкомутаза	PGM	2.7.5.1.	A	2
Флюоресцентная эстераза	FL-EST	3.1.1.2.	B	1
6-фосфоглюконатдегидрогеназа	PGD	1.1.1.44.	C	2
Сорбитолдегидрогеназа	SDH	1.1.1.14.	A	1
Шикиматдегидрогеназа	SKDH	1.1.1.25.	B	1

Определение уровня генетической изменчивости проводили на основе ряда общепринятых показателей: среднее число аллелей на локус (А), полиморфность (Р) и ожидаемая гетерозиготность (Н_е). Для расчета ожидаемой гетерозиготности Н_е по каждому локусу использовали формулу

где х_i– частота i-того аллеля. Показатель средней ожидаемой гетерозиготности вычислялся как

где H_j – гетерозиготность j-того локуса, К– количество исследованных локусов. Показатель полиморфности (Р) рассчитывали путем деления числа полиморфных локусов на общее количество исследованных локусов, а параметр среднего числа аллелей на локус (А) путем деления количества выявленных аллелей на общее количество исследованных локусов. Полиморфность подсчитывалась по 99% критерию (частота наиболее общего аллеля не превышала 99%), а среднее число аллелей на локус по всем обнаруженным.

Для оценки генетической дифференциации среди таксонов лиственниц использовался коэффициент генетической дистанции Неи (D_N), который учитывает различия в аллельных частотах всех проанализированных локусов:

D_N= - lnI_N ,

где x_ijи y_ij— частоты i-го аллеля j-го локуса сравниваемых таксонов. Если D_N равно 0, то таксоны идентичны. Чем больше значение D_N, тем менее они родственны.

Считается, что коэффициент дистанции Неи самый точный, и поэтому он используется практически всеми исследователями. Дендрограмма наглядно демонстрирующая общую картину генетических взаимоотношений между исследованными таксонами на основании полученных коэффициентов D_N строились методом невзвешенного парно-группового кластерного анализа (UPGMA) (Sneath, Sokal 1973).

2. Результаты и их обсуждение

В ходе электрофоретического анализа 12 ферментных систем у трех лиственниц нами было обнаружено 62 различных электрофоретических варианта. Наглядное изображение электрофоретических спектров малатдегидрогеназы и глюкозофосфатизомеразы исследованных видов с выявленными электрофоретическими вариантами приведено на рис. 1, 2. Проведенный генетический анализ показал, что все обнаруженные нами электрофоретические варианты кодируются 62 аллелями 20 локусов (Гончаренко, Шевцова, 2004). Все эти аллельные варианты и их относительная электрофоретическая подвижность наглядно изображены на рис. 3. Обозначение аллелей дано по общепринятой номенклатуре Пракаша (Prakashetal., 1969).

Наиболее часто встречающийся аллель локуса у лиственницы сибирской получил цифровой символ 1.00. Остальные аллели этого локуса, встреченные у проанализированных нами видов, включая L.sibirica, обозначались цифровыми символами в соответствии с их электрофоретической подвижностью относительно аллеля 1.00]. Например, Gpi^0.65 – это обозначение гена, кодирующего аллозим, подвижность которого на 35% медленнее Gpi^1.00. Нулевые аллельные варианты обозначены символом 0.

Следует подчеркнуть, что вопросы генетической детерминации ген-ферментных систем в определенной степени отражены в ряде работ, посвященных анализу некоторых лиственниц Палеарктики (Mejnartowicz, Bergmann, 1975;Ларионова, Милютин, 1981; Шурхал и др., 1989; Тимерьянов и др., 1994; Потенко, Разумов 1996; Гончаренко, Силин, 1997; Fins, Seeb, 1986; Lewandowski, Mejnartowicz, 1991, 1994; Гончаренко, Шевцова 2004). Таким образом, к настоящему времени разными лабораториями разработаны методы выявления достаточно большого набора изоферментных локусов, являющихся надёжными генетическими маркёрами. Всё это даёт возможность объективно проводить оценку уровня генетического полиморфизма и генетическогородства в различных таксонах лиственниц и, тем самым, позволяет решать как различные вопросы генетической изменчивости, так и сложные вопросы систематикии эволюционной филогении представителей рода Larix.