Аллельное и генотипическое разнообразие в природных и исскуственных насаждениях сосны обыкновенной (Pinus sylvestris)

Введение

Сохранение генетического разнообразия лесов - острейшая проблема современности. Известно, что за счёт сокращения эффективной численности особей в популяциях древесных растений вследствие проведения сплошнолесосечных рубок, гибели насаждений в результате пожаров, болезней, ветровала, загрязнения окружающей среды, а также широкомасштабного применения индивидуального отбора в селекции, наблюдается неуклонное снижение генетического разнообразия лесов [1, 2, 3, 4, 5]. В настоящее время мероприятия, направленные на сохранение генетических ресурсов, проводятся в естественных насаждениях (in situ) и за пределами естественного произрастания популяций путем создания архивов клонов плюсовых деревьев, лесосеменных плантаций (ЛСП) и т.д. (ex situ). Второй метод в лесовосстановлении в последнее время применяется в широких масштабах и предлагается селекционерами в качестве основного при создании семенных участков [6]. При закладке ЛСП в большинстве случаев используется материал отбираемых по фенотипу плюсовых деревьев, при этом информация о генетической ценности данного материала часто отсутствует. В результате такого отбора в полученной с ЛСП семенной продукции не всегда сохраняется высокий уровень полиморфизма и часто снижается количество ценных генотипов [7]. В итоге, поколения леса, возникшие в результате искусственного возобновления от ограниченного количества особей с ограниченным количеством генотипов, будут генетически менее разнообразными, а следовательно, исходя из наличия взаимосвязи между уровнем генетической изменчивости с одной стороны и интенсивностью роста и гомеостазом с другой [8, 9], и менее продуктивными, менее устойчивыми к экологическим факторам.

 В связи с вышесказанным целью нашей работы являлся сравнительный анализ аллельного и генотипического разнообразия, оценка генетического полиморфизма природных и искусственных насаждений сосны обыкновенной и разработка на их основе рекомендаций по сохранению генетических ресурсов P. sylvestris.

Объект и методы исследования

Исследования аллельного и генотипического разнообразия, а также генетической изменчивости сосновых насаждений проводились на основании генетического анализа семенного материала деревьев P. sylvestris, собранного на лесосеменной плантации  вегетативного происхождения Ленинского опытного лесхоза (г. Гомель) и близкорасположенной природной популяции Марковичи.

Каждое дерево Pinus sylvestris было проанализировано по 15 генам посредством метода электрофоретического анализа изоферментов в крахмальном геле, все этапы которого подробно описаны ранее [10, 11, 12, 13, 14]. Уровень генетической изменчивости исследованных популяций по 15 генам определяли на основании параметров генетического полиморфизма.

Результаты и обсуждение

Для анализа аллельного и генотипического разнообразия, а также для определения параметров генетического разнообразия были рассчитаны частоты встречаемости аллелей в каждой исследованной популяции P. sylvestris. Аллельные частоты по 15 проанализированным генам представлены в таблице 1.

Tаблица 1. Аллельные частоты в природных популяциях и на лесосеменной плантации Pinus sylvestris

Примечание: 1 – Марковичи, 2 – лесосеменная плантация

Анализируя аллельное разнообразие, необходимо отметить, что в природной популяции Марковичи было выявлено 36 различных электрофоретических варианта, в насаждении ЛСП – 31. Среди 15 проанализированных локусов в природной популяции Марковичи в двух локусах (Adh-2, Gpi) было выявлено по 4 аллеля,  в трех локусах – по 3 аллеля, в восьми – по 2 аллеля и только два локуса являлись мономорфными (было выявлено по 1 аллелю). В то же время в насаждении ЛСП наибольшее количество найденных аллелей в локусах ровнялось 3, и таких локусов было выявлено 4, по 2 аллеля было выявлено в восьми локусах, а мономорфными являлись четыре локуса (таблица 1).

Наряду с аллельным разнообразием при оценке запаса генетической изменчивости важное значение имеют параметры генетического полиморфизма. В таблице 2 приведены значения этих показателей – полиморфности (P), среднего числа аллелей на локус  (А), а также ожидаемой (Не) и наблюдаемой (Но) гетерозиготностей, которые были рассчитаны на основании данных по 15 локусам.

Таблица 2.  Значения основных показателей генетического полиморфизма в природной популяции и на лесосеменной плантации P. sylvestris

Как хорошо видно из таблицы 2, значения всех параметров изменчивости на лесосеменной плантации (ЛСП) оказались ниже чем, в природной популяции. Особенно ярко это видно при сравнении таких показателей, как среднее число аллелей на локус (2.4 аллеля на локус в популяции Марковичи и 2 на ЛСП) и наблюдаемая гетерозиготность (33% для насаждения в Марковичах и 29% для ЛСП). В целом, можно заключить, что при формировании плантации  были  потеряны  некоторые аллели, а средняя гетерозиготность у отдельных клонов на ЛСП ниже, чем у деревьев в природных популяциях.

Сохранение аллельного разнообразия имеет очень важное значение, так как потеря даже одного аллеля значительно уменьшает количество возможных генотипов у потомков, что в конечном счете приведет к снижению генетического полиморфизма в популяциях.

На основании выявленных аллелей нами было определено количество потомков с различными генотипами, которые можно получить из семенного материала, собранного в природном насаждении Марковичи и на ЛСП.

Поскольку среди 15 проанализированных локусов в популяции Марковичи было выявлено 13 полиморфных локусов (2 четырехаллельных локуса, 3 трехаллельных и 8 диаллельных), то в семенном потомстве природного насаждения Марковичи возможно 141 717 600 (3⁸×6³×10²) потомков с различными генотипами.

Количество возможных потомков с различными генотипами, которые можно получить из семенной продукции, собранной на ЛСП – 8 503 056 (3⁸×6⁴), так как из 12 выявленных полиморфных локусов 4 являлись трехаллельными и 8 – диаллельными. Полученные данные однозначно указывают, что при использовании в лесовосстановлении семенного материала с ЛСП мы не досчитаемся 132 млн. различных генотипов.

Заключение

Сравнительный анализ аллельного и генотипического разнообразия, также оценка показателей генетического полиморфизма лесосеменной плантации и природной популяции сосны обыкновенной показали, что при формировании ЛСП не только не удалось существенно увеличить запасы генетических ресурсов данного вида, но, наоборот, на лесосеменной плантации P. sylvestris была допущена потеря некоторой части изменчивости и аллельного разнообразия, присущей природным популяциям. Это в свою очередь существенно снизило и генотипическое разнообразие ЛСП, так как количество возможных потомков с различающимися генотипами по сравнению с природным насаждением снижается на 132 млн. и составляет 8.5 млн. Таким образом, любой искусственный отбор выводит генотипический состав из оптимального состояния, снижает устойчивость, а в конечном счете и продуктивность насаждений. Поэтому воспроизводство лесов, как экосистем с комплексом биосферных и ресурсных функций должно проводиться либо естественным путем, либо культурами из местных семян по технологиям, максимально имитирующим ход естественного лесовосстановления.

Работа выполняется в рамках программы ГПОФИ “Ресурсы растительного и животного мира” Национальной АН Беларуси. Авторы выражают благодарность лесным генетикам  Гомеля, которые оказывали содействие в ходе генетических исследований.

Литература

1.      Ирошников, А.И. Изучение, охрана и рациональное использование генофонда лесов / Биосфера и человек // А.И. Ирошников. – М.: Наука, 1975. – С. 60-62.

2.      Ирошников, А.И. Генетический фонд лесных древесных пород  в СССР / А.И. Ирошников, С.А. мамаев, В.И. Некрасов // Лесная генетика, селекция и физиология древесных растений:тМатериалы междунар. симпоз. 25-30 сент. 1989, Воронеж. – М. – С. 9-16.

3.    Мамаев, С.А. Принципы выявления и сохранения генетических ресурсов древесных растений в лесах СССР / С.А. Мамаев, А.К. Махнев, Л.Ф. Семериков // Лесн. хоз-во. – 1984. -№ 11. – С. 35-38.

4.    Мамаев, С.А. О популяционном подходе в лесоводстве / С.А. Мамаев, Л.Ф.Семериков, А.К. Махнев // Лесоведение. - 1988. - № 1. - С. 3 - 9.

5.    Мамаев, С.А. Проблемы биологического разнообразия и его поддержания в лесных экосистемах / С.А. Мамаев, А.К. Махнев // Лесоведение. – 1996. - №5. – С.3-10.

6.      Ефимов, Ю.П. генетико-селекционная оценка объектов постоянной лесосеменной базы / Ю.П. Ефимов // Генетика и селекция – на службе лесу. Воронеж: НИИЛГиС. – 1997. – С. 298-307.

7.      Милютин, Л.И. Генетико-эволюционные основы устойчивости лесных экосистем / Л.И. Милютин // Лесоведение. – 2003. - №1. – С. 16-20.

8.    Левонтин, Р. Генетические основы эволюции: пер. с англ. / Р. Левонтин. – М.: Мир, 1978. –  352 с.

9.      Грант, В. Эволюция организмов / В. Грант. – М.: Мир, 1980. – 407 с.

10.  Гончаренко, Г.Г. Руководство по исследованию хвойных видов методом электрофоретического анализа изоферментов / Г.Г. Гончаренко, В.Е. Падутов, В.В. Потенко. – Гомель: Полеспечать, 1989.– 164 с.

11.  Goncharenko, G.G. Population structure, gene diversity, and differentiation  in  natural  populations  of Cedar  pines  (Pinus  subsect.  Cembrae, Pinacea) in the USSR / G.G. Goncharenko, V.E. Padutov, A.E. Silin // Plant Syst. & Evol. - 1992. - V. 182. - P. 121-134.

12.  Goncharenko, G. G. Allozyme variation in natural populations of Eurasian  pines.  I. Population  structure, genetic  variation  and  differentiation in Pinus pumila (Pall.) Regel from Chukotsk and Sakhalin / G.G. Goncharenko, V.E. Padutov, A.E. Silin // Silvae Genet. - 1993. - V. 42. - P. 237-246.

13.  Гончаренко, Г.Г. Популяционная и эволюционная генетика сосен Восточной Европы и Сибири / Г.Г. Гончаренко, А.Е. Силин. – Минск: Тэхналогiя, 1997. – 192 с.

14.  Гончаренко, Г.Г. Методический подход к исследованию популяционно-генетических ресурсов хвойных / Г.Г. Гончаренко // Известия Гомельского государственного университета имени Ф. Скорины. – 2002. -  № 4 (13). – С. 134-146.