Популяционно-генетические отличия между сосной Коха (Pinus kochiana Klotzsch ex Koch) Горного Крыма и сосной обыкновенной (Pinus sylvestris L. ) Кременецкого холмогорья

ПОПУЛЯЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОТЛИЧИЯ МЕЖДУ СОСНОЙ КОХА (PINUS KOCHIANA KLOTZSCH EX KOCH) ГОРНОГО КРЫМА И СОСНОЙ ОБЫКНОВЕННОЙ (PINUS SYLVESTRIS L.) КРЕМЕНЕЦКОГО ХОЛМОГОРЬЯ

И.И. КОРШИКОВ1, доктор биологических наук;

Д.Ю. ПОДГОРНЫЙ2, А.Н. ЛИСНИЧУК , кандидат биологических наук 1Донецкий ботанический сад НАН Украины, Никитский ботанический сад - Национальный научный центр, 3Кременецкий ботанический сад

Введение

С момента открытия в 1858 г. кавказской сосны (P. sylvestris var. hamata) продолжается спор о ее таксономическом статусе. Е.Г. Бобров [1], проведший анализ противоречивых сведений о номенклатуре этой кавказской и близкородственной сосны в Горном Крыму, насчитал 8 видовых и 17 наименований меньшего ранга. На основании палеогеографических данных Е.Г. Бобров [1] возводит распространенную на верхнем пределе лесов Горного Крыма сосну в ранг видового таксона - P. kochiana Klotzsch ex C. Koch. Л.Ф. Правдин [7], детально останавливаясь на морфологических, анатомических и физиологических особенностях кавказской сосны, относит ее к подвиду сосны обыкновенной - подвид крючковатая (P. sylvestris L. subsp. hamata (Steven) Fomin), а произрастающую в Крыму - к климатическому экотипу этого подвида - P. sylvestris L. subsp. hamata (Steven) Fomin var. subalpina Fomin. Однако наиболее отличительный морфологический признак этого подвида - крючковатость и загнутость апофизов к основанию щитка - встречается и у P. sylvestris в Германии, Тироле и в Шотландии [7]. Известный крымский ботаник Н.И. Рубцов [8] рассматривал эту крымскую сосну как P. sylvestris, а современные украинские ботаники выделяют ее в ранг отдельного вида - P. kochiana Klotzsch ex Koch. [3].

Этот краткий анализ сделан для того, чтобы показать, насколько противоречив спор о таксономическом ранге сосны, произрастающей на границе яйлы в Горном Крыму. Причина заметных расхождений в номенклатурной истории этого таксона -субъективность оценок изменчивости признаков и показателей, размерность которых зависит от неоднозначного влияния экологических факторов мест произрастания. В определении таксономического статуса этой сосны, исходя из современных представлений о геносистематике живых организмов, должны быть использованы наследственные дискретные признаки, не подверженные влиянию факторов внешней среды. К числу таких относятся аллозимы - первичные продукты генетического кода, позволяющие выяснить степень генетических различий у спорных таксонов. Аллозимы, как надежные генетические маркеры со 100 %-ной воспроизводимостью, очень часто применяют в решении вопросов геносистематики и эволюционной филогении лесообразующих хвойных [2, 6].

Цель исследований - на основе сравнительного анализа популяционно-генетической изменчивости Pinus kochiana и P. sylvestris выяснить степень генетического сходства и различий этих таксонов.

Объекты и методы исследований

Объектами исследований были четыре популяции P. kochiana Горного Крыма: в урочищах «Красный камень» и «Гурзуфское седло» на южном склоне г. Караул-Кая, на юго-западном склоне от Никитской яйлы и на северном склоне от Бабуган-яйлы. Возраст деревьев, с которых были собраны шишки с семенами для последующего

анализа аллозимной изменчивости, составлял 80-150 лет, а их выборки 29-30 особей (всего 119). Для сравнительного анализа использовали три реликтовые популяции P. sylvestris Кременецкого холмогорья: «Бир», «Заречье», «Суражская дача». Выборки деревьев 130-летнего возраста насчитывали 29-68 растений (всего 154).

Для определения генотипа растения в качестве биохимических маркеров использовали изоферменты 9 ферментных систем: алкогольдегидрогеназы (ADH, К.Ф. 1.1.1.1), глутаматоксалоацетат-трансаминазы (GOT, К.Ф. 2.6.1.1), глутаматдегидрогеназы (GDH, К. Ф. 1.4.1.2), диафоразы (DIA, К. Ф. 1.6.4.3), кислой фосфатазы (ACP, К.Ф. 3.1.3.2), лейцинаминопептидазы (LAP, К. Ф. 3.4.11.1), малатдегидрогеназы (MDH, К. Ф. 1.1.1.37), супероксиддисмутазы (SOD, К. Ф. 1.15.1.1) и формиатдегидрогеназы (FDH, К. Ф. 1.2.1.2), генетический контроль которых был установлен ранее [4]. Электрофоретическое разделение ферментов, экстрагируемых из восьми и более эндоспермов семян каждого растения, проводили в вертикальных пластинках 7,5%-ного полиакриламидного геля с рН 8,9 разделяющего геля в трис-глициновом электродном буфере (рН 8,3) [10]. Для оценки уровня генетической изменчивости рассчитывали частоты аллелей изучаемых локусов в популяциях этих таксонов. Аллельную гетерогенность популяций исследуемых таксонов оценивали по стандартному х2-тесту, а дифференциацию - с помощью генетической дистанции Нея [12]. В статистической обработке генетических данных использовали пакет компьютерных программ BIOSYS-1 [13].

Результаты и обсуждение

Электрофоретический анализ, выполненный для девяти ферментов, позволил описать у исследуемых таксонов 19 локусов, из которых три - Sod-1, Sod-2, Sod-3 были мономорфными у P. sylvestris, а у P. kochiana к ним добавлялся еще локус Sod-4. В популяциях P. kochiana выявлено 46, а у P. sylvestris - 52 аллеля, из которых 44 были общими для обоих таксонов (таблица 1 ). Наиболее изменчивыми у этих таксонов были семь локусов - Gdh, Got-2, Got-3, Dia-1, Acp, Lap-1 и Fdh. При сравнении частот аллелей трех популяций P. sylvestris и четырех P. kochiana существенная гетерогенность установлена для семи локусов - Gdh, Got-3, Dia-1, Dia-4, Acp, Lap-1 и Mdh-3. Значимая генотипическая гетерогенность выявлена для четырех локусов - Gdh, Got-3, Dia-4 и Mdh-3. В исследованных популяциях P. kochiana и P. sylvestris предоминантный аллель (1,00) встречался во всех локусах с частотой > 0,500. Согласно данным Г.Г. Гончаренко [2], который сравнивал семь форм P. sylvestris: сосну лесную (sylvestris), с. сибирскую (sibirica), с. карпатскую (carpatica), с. рижскую (rigensis), с. лапландскую (lapponica), с. меловую (cretacea) и с. крючковатую (hamata) по 24 аллозимным локусам, наибольшая аллельная гетерогенность выявлена для трех крымско-кавказских популяций hamata. Из этих трех популяций только одна им была взята в Горном Крыму, а две популяции сосны крючковатой - с Кавказа, которую многие ботаники рассматривают как P. sosnovskyi Nokai. В объединенной выборке растений этих трех крымско-кавказских популяций сосны крючковатой установлено, что в локусе 6-Pgd-2 предоминантный аллель (1,00) не встречается с преобладающей частотой. Г.Г. Гончаренко [2] выявлены также значимые отличия между формой hamata и шестью другими формами сосны по локусам Got-3, Dia-2, Mdh-3 и 6-Pgd-1. Кроме того, форма hamata оказалась полиморфной по локусу Idh, который у других форм был мономорфным [2].

Проведенный нами анализ аллельной и генотипической гетерогенности P. kochiana и P. sylvestris хотя и позволяет выявить локусы, по которым их популяции имеют различия в генетической структуре, однако не дает возможности выяснить степень генетической неидентичности этих таксонов. Для такой оценки часто

используют коэффициент генетической дистанции (DN) Нея [5, 12], при расчетах которого учитываются отклонения в аллельных частотах всех исследуемых локусов. Значения DN между тремя реликтовыми популяциями P. sylvestris варьировали в пределах 0,001-0,005, составив в среднем 0,003. Между четырьмя популяциями P. kochiana генетическая дистанция была несколько больше - 0,003-0,017, DN^. = 0,010. Практически на таком же уровне была генетическая дифференциация между P. kochiana и P. sylvestris- 0,005-0,015, DN^. = 0,011. Согласно данным Г.Г. Гончаренко [2] для форм sylvestris, carpatica, rigensis, lapponica, cretacea и sibirica средняя величина DN составила 0,007, а между hamata и этими шестью формами - 0,024, т.е. hamata имеет более четко выраженную генетическую дифференциацию в сравнении с остальными исследованными формами P. sylvestris. Результаты проведенного нами сравнительного анализа не указывают на такие генетические отличия между P. kochiana и P. sylvestris. Возможно, это связано с тем, что мы изучали только крымские популяции P. kochiana, а в упоминаемом исследовании [2] из трех популяций hamata две были кавказскими. Генетические различия между кавказской и крымской сосной подтверждены с помощью анализа аллозимной изменчивости и другими авторами. Восточнокавказские горные популяции сосны крючковатой генетически значительно более удалены от североевразийской P. sylvestris, чем P. kochiana на горе Роман-Кош в Крыму. По этой причине предполагают существование на Восточном Кавказе подвида Pinus sylvestris L., ssp. kochiana (Klotzsch ex C.Koch) Elicin, а в Крыму только формы - f. tavrica (nova, nom. prov.) [9].

У молодых видов родов Pinus и Picea c неполной репродуктивной изоляцией величина DN между популяциями обычно достигает 0,10, т.е. в процессе видообразования в геномах таких видов происходит не менее 10 аллельных замещений на 100 структурных локусов [11, 14]. В случае анализа формы hamata было подтверждено 2,4 аллельных замещения, поэтому ее рассматривают как генетически обособившуюся географическую расу P. sylvestris, оставляя за ней название P. sylvestris var. hamata Steven. [2]. По результатам нашего анализа у P. kochiana в сравнении с реликтовыми популяциями P. sylvestris произошло лишь 1,1 аллельных замещения структурных локусов, что в 9 раз меньше, чем у молодых видов родов Pinus и Picea [11, 14]. Такие генетические отличия обычно свойственны популяциям одного вида.

Таблица 1

Количество аллелей, аллельная и генотипическая гетерогенности, средняя полокусная гетерозиготность для четырех популяций Pinus kochiana Klotzsch ^ ex Koch Горного Крыма и трех популяций P. sylvestris L. Кременецкого холмогорья

Ферменты

Локус

Количество аллелей

P. kochiana

P. sylvestris

общих для

обоих таксонов

%2- тест на гетерогенность между видами

аллелей

генотипов

Средняя гетерозиготность

P. kochiana P. sylvestris

ожидаемая / наблюдаемая

Алкогольдегидрогеназа

Adh-1 Adh-2

2 4

2 3

17,9

26,5

0,168/0,143 0,145/0,143

0,161/0,098 0,168/0,123

Глутаматдегидрогеназа

Gdh

18,9

**

38,9

***

0,385/0,404

0,472/0,533

Глутаматоксалоацетат-трансаминаза

Got-1 Got-2 Got-3

2 2 3

2 2 3

2 2 3

2,9(6) 3,5(6) 31,7(12)**

2,9(7) 17,4(14) 42,8(28)*

0,008/0,008 0,452/0,437 0,364/0,412

0,032/0,032 0,441/0,376 0,453/0,415

Диафораза

Dia-1 Dia-2 Dia-4

3 2 3

4 3 3

3 2 3

34,7(18)* 13,7(12) 35,7(12)***

46,2(42) 14,9(16) 58,5(28)***

0,427/0,462 0,008/0,008 0,159/0,109

0,470/0,403 0,038/0,039 0,084/0,078

Кислая фосфатаза

Acp

41,3(24)*

51,6

0,379/0,471

0,362/0,389

Лейцинаминопептидаза

Lap-1 Lap-2

4 4

4

5

4 4

36,0

49,0

0,329/0,353 0,226/0,185

0,234/0,221 0,236/0,254

Малатдегидрогеназа

Mdh-2 Mdh-3

2 3

2 4

2 2

7,7(6) 30,1(12)**

7,8(7) 53,5(28)**

0,056/0,059 0,501/0,437

0,056/0,059 0,401/0,441

Формиатдегидрогеназа

Fdh

5,7

12,7

0,132/0,109

0,249/0,227

Супероксиддисмутаза

Sod-4

8,4

9,3

0,000/0,000

0,006/0,006

46

52

44

0,197/0,197

0,203/0,197

2

2

2

4

5

4

2

2

2

1

2

1

Выводы

Результаты сравнительных исследований аллозимной изменчивости по 19 локусам четырех популяций P. kochiana Горного Крыма и трех реликтовых популяций P. sylvestris Кременецкого холмогорья показывают, что P. kochiana следует рассматривать как географическую форму P. sylvestris - P. sylvestris var. kochiana Klotzsch ex Koch. Этой форме угрожает биологическое загрязнение вследствие массовых посадок на яйле сеянцев P. sylvestris, завезенных из-за пределов Крыма. Отсутствие репродуктивных барьеров между этими таксонами создает условия для гибридизации, что может привести к разрушению в ходе рекомбинантных событий уникальных коадаптированных блоков генов, свойственных P. sylvestris var. kochiana Klotzsch ex Koch. В конечном итоге такая миграция генов P. sylvestris будет способствовать формированию популяций с измененной генетической структурой этой географической формы.

Список литературы

1. Бобров Е.Г. Лесообразующие хвойные СССР. - Л.: Наука, 1978. - 190 с.

2. Гончаренко Г.Г. Геносистематика и эволюционная физиология лесообразующих хвойных. - Минск: Тэхналопя, 1999. - 188 с.

3. Екофлора Украши. Том 1. / Дщух ЯП., Плюта П.Г., Протопопова В.В. та ш. Вщпов. ред. ЯП. Дщух. - Кшв: Фгтосоцюцентр, 2000. - 284 с.

4. Генетический контроль изоферментов сосны Коха в Горном Крыму / Коршиков И.И., Великоридько Т.И., Коба В.П., Подгорный Д.Ю., Калафат Л.А., Горлова Е.М. // Еколопчш проблеми садiвництва та штродукцп рослин: Збiрник наукових праць Державного Никгтського боташчного саду. - Ялта, 2008. - Т. 130. -С. 112-119.

5. Ней М., Кумар С. Молекулярная эволюция и филогенетика. - Киев: КВЩ, 2004. - 406 с.

6. Политов Д.В. Генетика популяцш и эволюционные взаимоотношения видов соснових (сем. Pinaceae) Северной Евразии: Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. - М., 2007. - 47 с.

7. Правдин Л.Ф. Сосна обыкновенная. - М.: Наука, 1964. - 192 с.

8. Рубцов Н.И. Растительный мир Крыма. - Симферополь: Таврия, 1978. -

129 с.

9. Санников С.Н., Петрова И.В. Феногеография популяций древесных растений: проблемы, методы и некоторые итоги // Хвойные бореальной зоны. -2007. - XXIX, № 2-3. - С. 288-296.

10. Davis B.J. Disk electrophoresis. II. Methods and application to human serum proteins // Ann. N. Y. Acad. Sci. - 1964. - V. 121. - P. 404-427.

11. Allozyme differentiation and biosystematics of the Californian closed-cone pines (Pinus subsect. Oocarpae) Millar C.I., Strauss S.H., Conkle M.T., Westfall R.D. // Sys. Bot. - 1988. - V. 13. - P. 351-370.

12. Nei M. Genetic distance between populations // Amer. Naturalist. - 1972. - V. 106. - P. 283-292.

13. Swofford D.L., Selander R.B. BIOSYS-1: a FORTRAN program for the comprehensive analysis of electrophoretic data in population genetics and systematics // J. Hered. - 1981. - Т. 72, № 4. - P. 281-283.

14. Wheeler N.C., Guries R.P. A quantitative measure of introgression between lodgepole and jak pines // Can. J. Bot. - 1987. - V. 65. - P. 1876-1885.

Рекомендовано к печати д.б.н. Захаренко Г.С.