ПОЛИМОРФИЗМ МИКРОСАТЕЛЛИТНЫХ ЛОКУСОВ ХЛОРОПЛАСТНОЙ ДНК СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
ГЕНЕТИКА, 2014, том 50, № 6, с. 660–669
ГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙ
УДК 575.174.015.3:582.475
ПОЛИМОРФИЗМ МИКРОСАТЕЛЛИТНЫХ ЛОКУСОВ
ХЛОРОПЛАСТНОЙ ДНК СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ
(Pinus sylvestris L.) В АЗИИ И ВОСТОЧНОЙ ЕВРОПЕ
© 2014 г. В. Л. Семериков1, С. А. Семерикова1, О. С. Дымшакова1, К. Г. Зацепина2,
В. В. Тараканов2, И. В. Тихонова2, А. К. Экарт2, А. И. Видякин3,
С. Жамьянсурен4, Р. В. Роговцев5, Л. И. Кальченко6
1
Институт экологии растений и животных Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург 620144
e$mail: semerikov@ipae.uran.ru
2Институт леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук, Красноярск 660036
3Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук, Киров 610035
4Институт ботаники академии наук Монголии, Улан$Батор 210361, Монголия
5Центр защиты леса Новосибирской области, Новосибирск 630015
6Центр защиты леса Алтайского края, Барнаул 656056
Поступила в редакцию 29.04.2013 г.
Изменчивость четырех микросателлитных локусов хлоропластной ДНК изучена в 38 популяциях
сосны обыкновенной в европейской части России, в Сибири, Казахстане, Забайкалье и в Монго
лии. Во всех регионах обнаружен высокий полиморфизм, всего было выявлено 152 гаплотипа. Уро
вень дифференциации популяций RST составил 2.1%; дифференциация трех географических групп
популяций (европейские, сибирскоказахстанские и забайкальскомонгольские) RCT, равная
0.004%, была незначимой. В то же время некоторые редкие гаплотипы были специфичны для опре
деленного географического региона. Распределение редких гаплотипов, дифференцирующих евро
пейские популяции от азиатских или монгольские и забайкальские популяции от сибирских, пока
зывает самостоятельность историй этих регионов и соответствует гипотезе происхождения совре
менного ареала сосны обыкновенной путем расселения из многих источников в большей мере, чем
гипотезе единого центра послеледниковой реколонизации. Распределение парных различий между
индивидами соответствовало модели внезапного популяционного роста. Полученные на основе
этой модели оценки возраста этого события для Pinus sylvestris (4.5–4.7 млн лет) заметно превосхо
дят возраст четвертичного периода, следовательно маловероятно, что выявляемый популяционный
рост был связан с ледниковыми сменами растительности, а скорее он отражает момент видообразо
вания.
DOI: 10.7868/S0016675814040122
Ледниковые циклы плейстоцена оказывали Pinus sylvestris L., согласно аллозимным данным
решающее влияние на динамику популяций ви [8], имеют весьма слабо выраженную популяци
дов умеренной и бореальной биоты и, как след онную генетическую структуру, для которой эта
ствие, на величину и географическое распределе интерпретация не очевидна. Этим видам харак
ние их генетической изменчивости [1]. Однако терна высокая внутрипопуляционная изменчи
собранные за последние десятилетия данные ука вость, при весьма низкой подразделенности по
зывают на значительное разнообразие четвертич пуляций. Отсутствие выраженной популяцион
ных историй видов, что отражено в характере их ногенетической структуры P. sylvestris может
генетической изменчивости [2, 3]. Структура из иметь несколько причин. Первая из них состоит в
менчивости ряда бореальных видов хвойных – том, что высокая подвижность пыльцы и большие
Larix sp. [4], Abies sibirica Ledeb. [5, 6], Picea abies размеры популяций способствуют быстрому ниве
(L.) Karst. [7] – демонстрирует присутствие боль лированию пространственных неоднородностей,
ших географических групп популяций, диффе возникших в результате плейстоценовых фрагмен
ренцированных друг от друга, что ясно указывает таций и сокращений популяций. Вторая – продол
на формирование современного ареала путем жительность и интенсивность бутылочного гор
расселения из нескольких изолированных рефу лышка во время выживания в рефугиумах могли
гиумов. В то же время некоторые виды, включая быть недостаточны для накопления различий,
660ПОЛИМОРФИЗМ МИКРОСАТЕЛЛИТНЫХ ЛОКУСОВ 661
фиксируемых с помощью аллозимных маркеров. кращений численности популяций (популяцион
И, наконец, третья из возможных причин – вся ных бутылочных горлышек) и изоляции [16–18].
бореальная часть ареала сосны обыкновенной Цель данного исследования – анализ филогео
была занята в результате недавнего расселения из графической структуры популяций сосны обык
одного плейстоценового рефугиума (в отличие от новенной и изучение возможности выявления
других бореальных видов деревьев), благодаря че следов плейстоценовой динамики ареала на ос
му частоты генов оказываются однородными на нове изменчивости хпДНК. Мы планируем отве
большой территории. тить на вопрос: произошло ли заселение сосною
Существующие палеогеографические данные обыкновенной бореальной части ее ареала после
в большей степени соответствуют последнему последнего оледенения из одного источника или
объяснению. Так, данные пыльцевых спектров расселение происходило из нескольких отдель
болот [9] выявляют сравнительно позднее рас ных рефугиумов. С этой целью был проанализи
пространение сосны на большей части современ рован материал, собранный в бореальной части
ареала вида, с помощью четырех микросателлит
ного ареала. Результаты исследований ареалов
ных локусов хпДНК.
хвойных Северной Евразии в голоцене [10] и в пе
риод после последнего ледникового максимума
[11], основанных на датированных с помощью ра МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
диоуглерода макрофоссилах, также вполне соот
Выборки объемом 14–24 индивидов были про
ветствуют гипотезе недавнего заселения всего
анализированы в 38 популяциях (табл. 1; рис. 1).
ареала.
Часть образцов была собрана в природных попу
Цитоплазматические геномы видов сем. Pi ляциях, часть – в географических культурах
naceae обладают уникальной системой наследо Сузунского лесничества Новосибирской области.
вания – митохондриальная ДНК (мтДНК) насле ДНК была выделена с помощью метода CTAB
дуется по материнской линии [12] и, соответ [19] из хвои, высушенной в силикагеле. Для изу
ственно, ее генетические потоки ограничены чения изменчивости хпДНК использовали четы
подвижностью семян. Хлоропластная ДНК ре микросателлитных локуса: Pt15169, Pt30204,
(хпДНК) наследуется по отцовской линии [12], и Pt71936 и Pt26081, разработанных на основе хло
высокая подвижность пыльцы обеспечивает ей ропластного генома сосны Тунберга [20]. ДНК
более значительный генетический поток. Благода каждого фрагмента амплифицировали в 10 мкл
ря сниженной подвижности мтДНК митохондри смеси, содержащей 1× ПЦР буфер (75 мM Трис
альные маркеры являются наиболее подходящими HCl (pH 8.8 при 25°C), 20 мM (NH4)2SO4, 0.1%
для выявления пространственногенетической Твин 20), 2.5 мM MgCl2, по 200 мкM каждого
структуры популяций и изучения филогеографии dNTP, по 0.2 мкM прямого и обратного праймера,
видов хвойных. Однако их применение в отноше 0.5 единицы полимеразы Taq (производство MBI
нии сосны обыкновенной затруднено тем обстоя Fermentas или Сибэнзим) и 10 нг геномной ДНК.
тельством, что полиморфизм, выявляемый с по Температурный профиль соответствовал [20].
мощью существующих маркеров nad1(b/c) и Продукты амплификации анализировались с по
nad7(12), ограничен западной частью ареала мощью электрофореза в денатурирующем поли
[13–15], в то время как популяции северовостока акриламидном геле и визуализации при серебря
Европейской России и Сибири оказываются мо ном окрашивании, как описано в [6]. Для верифи
номорфными по этим фрагментам. Характерная кации структуры и размера амплифицируемого
для хпДНК слабо выраженная пространственная фрагмента, содержащего микросателлит, каждый
структура популяций является недостатком в фи обнаруженный аллель был секвенирован с помо
логеографических исследованиях, однако микро щью набора BigDye v. 3.1 (Applied Biosystems).
сателлитные локусы хпДНК (cpSSR) хвойных об Число микросателлитных повторов (варианты
ладают сравнительно высокой изменчивостью и размеров) рассматривалось как аллель данного
скоростью мутирования [16, 17]. Это качество, в локуса. Поскольку хпДНК не рекомбинирует,
сочетании с характерным для хпДНК отсутствием комбинация аллелей четырех локусов у индивида
рекомбинации, позволяет выявлять недавно воз рассматривалась как гаплотип. Для каждой попу
никшие гаплотипы и недавно возникшую генети ляции были вычислены следующие показатели
ческую структуру. Кроме того, унипарентальное изменчивости: общее число гаплотипов (No); не
наследование цитоплазматических маркеров обу смещенное гаплотипическое разнообразие
n
∑
2
словливает двукратное (по сравнению с ядерны H e = ( 1 – ki = 1 p i ) [21], где n – объем выбор
ми диплоидными маркерами) снижение эффек – 1 гаплотипов и р – частота iго гапло
ки, k –n число i
тивного размера популяции и, как следствие, типа в популяции; нормированное на выборку раз
большую их чувствительность в отношении со мером 14 особей число гаплотипов минус 1 (r14 – 1),
ГЕНЕТИКА том 50 №6 2014662 СЕМЕРИКОВ и др.
Таблица 1. Расположение и основные параметры изменчивости популяций Pinus sylvestris, исследованных с по
мощью хлоропластных микросателлитных маркеров
2
Популяция, регион с.ш./в.д. n No D sh r14 – 1 He
Ульхан 2, Монголия 49°14′/112°37′ 24 18 5.5 9.4 0.975
Ульхан 1, Монголия 49°14′/112°37′ 23 15 2.5 8.9 0.964
Джидинский рн, Бурятия 50°50′/105°57′ 24 15 4.4 8.5 0.949
БаянАдагр, Монголия 48°33′/111°04′ 22 18 4.1 9.5 0.978
БогдоУул, Монголия 47°49′/106°52′ 24 19 5.6 9.7 0.978
ХилентУул1, Монголия 48°46′/111°36′ 23 19 4.0 9.8 0.978
Биндер, Монголия 48°39′/110°26′ 24 19 5.4 9.8 0.982
БаянУл, Монголия 49°06′/112°58′ 24 17 3.4 9.0 0.960
Пос. Чикой, Бурятия 50°18′/106°52′ 24 17 4.0 9.2 0.967
Устье р. Чикой, Бурятия 50°59′/106°36′ 24 17 4.1 8.9 0.953
ХилентУул2, Монголия 48°46′/111°36′ 24 20 4.8 10.0 0.982
Иволгинское лесво, Бурятия 51°48′/107°16′ 21 18 3.6 9.7 0.986
Ку, Монголия 48°45′/111°36′ 21 13 3.1 7.7 0.924
Среднее для Забайкалья и Монголии 17.3 4.2 9.2 0.967
Балгазын, Тува 51°02′/95°03′ 23 20 6.0 9.9 0.984
Шагонар, Тува 51°31′/93°14′ 23 18 4.0 9.5 0.976
Минусинск, Красноярский край 53°37′/91°38′ 23 17 5.5 9.2 0.968
Танзыбей, Красноярский край 53°04′/92°34′ 23 17 5.1 9.4 0.976
Шира, Хакасия 54°24′/89°59′ 23 16 4.0 8.9 0.964
Семипалатинск, Казахстан 49°00′/81°00′ 23 17 4.1 9.3 0.972
Енисейск, Красноярский край 58°27′/92°10′ 21 18 5.1 9.5 0.981
Болотное, Новосибирская обл. 55°40′/84°24′ 24 17 4.9 9.0 0.960
Аманкарагай, Казахстан 52°40′/64°10′ 24 17 4.2 9.3 0.971
Сросты, Алтайский край 51°59′/81°07′ 22 16 5.0 9.1 0.970
Волчиха, Алтайский край 52°03′/80°26′ 23 21 3.2 10.3 0.992
Востовское лесво, Алтайский край 52°07′/80°36′ 19 17 4.3 9.5 0.988
Мамонтово, Алтайский край 52°42′/81°38′ 22 18 4.5 9.6 0.978
Макарово, Алтайский край 53°17′/82°00′ 22 16 3.2 9.1 0.970
Круглое, Алтайский край 51°19′/80°22′ 23 18 4.9 9.5 0.976
Крестьянка, Алтайский край 52°28′/81°38′ 17 15 5.4 9.1 0.985
Власихинское лесво, Алтайский край 53°19′/83°42′ 18 15 4.0 8.9 0.974
Перешеечный, Алтайский край 51°44′/80°52′ 14 13 6.0 7.6 0.989
Михайловское, Алтайский край 51°49′/79°47′ 19 15 3.4 8.9 0.971
Среднее для Сибири и Казахстана 16.9 4.6 9.2 0.976
Плесецк, Архангельская обл. 63°20′/ 41°05′ 22 20 4.6 10.1 0.991
Бирск, Башкортостан 55°20′/55°36′ 22 18 3.1 9.5 0.978
Тихвин, Ленинградская обл. 59°39′/33°31′ 22 19 5.4 9.8 0.983
Кемь, Карелия 64°57′/34°34′ 20 16 5.1 9.0 0.974
Петрозаводск, Карелия 61°47′/34°16′ 23 20 4.8 10.0 0.988
Апатиты, Мурманская обл. 67°36′/33°40′ 22 19 5.0 9.8 0.987
Среднее для Европейской России 18.7 4.7 9.7 0.984
2
Примечание. n – размер выборки, No – число гаплотипов, D sh– среднее значение генетических расстояний между индиви
дами в популяции, r14 – 1 – нормированное число гаплотипов на размер выборки 14 особей минус единица [22], He – гапло
типическое разнообразие [21].
ГЕНЕТИКА том 50 №6 201450° 60° 70° 80° 70° 60°
Кемь
Плесецк Апатиты
ГЕНЕТИКА
Петрозаводск
том 50
№6
Шира Енисейск
Тихвин
Минусинск
Болотное
2014
Танзыбей
Бирск
Власихинское Шагонар
50°
40°
Балгазын
Ку ХилентУул1
Ульхан1
Ульхан2 40°
30° Аманкарагай
БаянУл
Мамонтово
Макарово ХилентУул2
Перешеечный
БаянАдагр
п. Чикой
Востовское Иволга Биндер
ПОЛИМОРФИЗМ МИКРОСАТЕЛЛИТНЫХ ЛОКУСОВ
Михайловское Джида БогдоУул 30°
Волчиха устье р. Чикой
Круглое
Семипалатинск
Сросты Крестьянка
60° 70° 80° 90° 100° 110° 120° 130°
7535 5646 6455
Рис. 1. Расположение популяций Pinus sylvestris, исследованных с помощью маркеров cpSSR. Частоты трех гаплотипов (7535, 5646, 6455), специфичных для трех
основных регионов, представлены в виде круговых диаграмм. Последовательность цифр (аллелей) каждого гаплотипа соответствует данной последовательности
локусов: Pt71936, Pt15169, Pt30204, Pt26081.
663664 СЕМЕРИКОВ и др.
представляющее собой ожидаемое число гапло нию, ожидаемому исходя из модели внезапного
типов в выборке объемом 14 (минимальный раз популяционного роста [29], и оценить параметры
мер выборки в нашем массиве данных), случайно модели: τ, θ0 и θ1, где τ = 2kμt, (μ – скорость мути
сформированной из особей данной популяцион рования; t – время, прошедшее с момента скачко
ной выборки минус 2
1 [22]. Вычислялось также образного популяционного роста (в поколениях);
среднее индекса D sh для пар индивидов в пределах k – число локусов); θ0 = 2kμN0 (N0 – численность
популяции (см. ниже). популяции до момента роста); θ1 = 2kμN1 (N1 –
Анализ иерархической структуры изменчиво численность популяции после момента роста).
сти AMOVA (внутри популяций, между популя Для сосны скорость мутирования хлоропластных
циями внутри групп, между группами) был про микросателлитных локусов была принята 1.076 ×
веден с помощью программы Arlequin v. 3.1 [23]. × 10–5 на локус на поколение, а длительность по
Группы популяций соответствуют трем географи коления – 100 лет [30]. Вычисления производи
ческим регионам: европейская часть России; Си лись с помощью программы Arlequin, для чего
бирь и Казахстан; Забайкалье и Монголия. Ста данные были перекодированы согласно [30].
тистическую значимость индексов фиксации
оценивали с помощью 1000 пермутаций. РЕЗУЛЬТАТЫ
Вычисляли индексы фиксации: GST [21], осно Исследование 862 индивидуумов сосны обык
ванный только на частотах гаплотипов, и RST [24], новенной в 38 популяциях выявило по восемь ал
учитывающий генетическое расстояние между лелей в локусах Pt15169 и Pt30204 и по шесть и пять
∑
2 –1 2
гаплотипами D sh ( i, j ) = K [ a ik – a jk ] , где aik аллелей в локусах Pt71936 и Pt26081, соответ
и ajk – числа повторов kго микросателлита iго и ственно. Секвенирование аллельных вариантов
jго гаплотипа, К – число локусов [24]. Сравнение каждого локуса подтвердило правильность типи
GST и RST проводилось с помощью программы рования аллелей с помощью электрофореза в по
PermutCpSSR v. 1.0 (www.Pierroton.intra.fr/genet лиакриламидном геле и показало, что ближайшие
ics/labo/Software/) [25]. Если RST > GST, то генети по электрофоретической подвижности аллель
чески сходные гаплотипы имеют тенденцию со ные варианты различаются между собой на один
существовать в одной популяции. Ординация попу нуклеотид, в соответствии с пошаговой моделью
ляций производилась с помощью анализа главных мутационного процесса микросателлитов. Под
координат посредством программы NTSYSpc [26] тверждено также, что у Pinus sylvestris высокая из
на основе матрицы парных RST. менчивость локусов Pt15169 и Pt30204 вызвана
Кластеризация популяций в географические присутствием в них нескольких отдельных трак
группы исследовалась также с помощью програм тов тандемных повторов.
мы SAMOVA [27], учитывающей одновременно Сочетание аллелей четырех локусов рассмат
молекулярные данные и географическое положе ривалось как гаплотип. Всего было выявлено
ние популяций. Алгоритм программы направлен 152 гаплотипа. Из них 23 встретились 10 и более
на поиск такой кластеризации географически со раз, 73 – менее 10 раз, но более одного (редкие),
седствующих популяций в K априорно заданных остальные – по одному разу. В среднем было об
групп, при которой дифференциация групп (RCT) наружено 17.3 гаплотипов на популяцию, боль
была бы наибольшей. Анализ проводился при K = шая часть индивидов в популяции имела уни
= 1, 2, 3, 4, 5. кальный для этой выборки гаплотип. Гаплотипи
Анализ исторической демографии сосны ческое разнообразие He было высоким и
обыкновенной был проведен двумя способами. превышало 0.9 (табл. 1). Среднее значение между
2
Вопервых, была вычислена статистика Fs [28]. всеми индивидами в популяции D sh варьировало
Если популяция испытала рост в недавнем про от 2.6 до 6.0 без всякого видимого географическо
шлом, то наблюдается избыток редких гаплоти го тренда, и различия по этому параметру между
пов (показатель Fs становится отрицательным), основными географическими регионами – Евро
по сравнению с ситуацией, когда численность по пой, Сибирью и Монголией были незначимы.
пуляции оставалась постоянной. Кроме того, для Однако имеется тенденция к снижению гаплоти
популяции, испытавшей популяционный рост, пического разнообразия и стандартизированного
распределение парных генетических различий числа гаплотипов (нормированное на 14 минус 1)
между индивидами (“mismatch distribution”) име в азиатских популяциях по сравнению с европей
ет одновершинный характер, в то время как для скими (He = 0.972641 против 0.98353, P = 0.03, и
постоянной численности свойственно многовер r14 – 1 = 9.2 против 9.7, P = 0.03, соответственно в
шинное, растянутое распределение [29]. Анализ азиатских и европейских популяциях, критерий
наблюдаемого “mismatch distribution” дает воз Манна–Уитни). Кластеризация популяций с по
можность оценить его соответствие распределе мощью SAMOVA не выявила географической
ГЕНЕТИКА том 50 №6 2014ПОЛИМОРФИЗМ МИКРОСАТЕЛЛИТНЫХ ЛОКУСОВ 665
Таблица 2. Анализ молекулярной изменчивости (AMOVA) в четырех локусах cpSSR в 38 популяциях P. sylvestris
Сумма квадратов Компоненты Доля
Источник изменчивости d.f.
отклонений изменчивости изменчивости
Между тремя группами популяций 2 11.030 0.00921 Va 0.41
Между популяциями внутри групп 35 107.536 0.03862 Vb 1.70
Внутри популяций 801 1778.765 2.22068 Vc 97.89
Всего 838 1897.331 2.26851 100
RSC = 0.01709*
RST = 0.02108*
RCT = 0.00406
Примечание. Группы популяций соответствуют трем географическим регионам: Европа; Сибирь и Казахстан; Забайкалье
и Монголия. Значимые статистики отмечены звездочкой.
Таблица 3. Оценки параметров модели внезапного популяционного роста
Регион τ t × 100 (лет) θ0 N0 θ1 N1 Fs*
Монголия и Забайкалье 3.769 4.4 × 106 0.003 35 6732.5 7.8 × 107 –25.54
Сибирь и Казахстан 3.870 4.5 × 106 0.005 58 6732.5 7.8 × 107 –25.30
Европейская Россия 4.019 4.7 × 106 0.000 0 6730.0 7.8 × 107 –25.85
Примечание. τ = 2kμt, где μ = 1.076 × 10–5 – скорость мутирования cpSSR у сосен, число мутаций на локус на поколение [30];
k – число локусов (=4); t – число поколений, прошедших с момента роста популяции; θ0 = 2kμN0, где N0 – численность по
пуляции до момента роста, θ1 = 2kμN1, где N1 – численность популяции после момента роста, оцененные на основе модели
[29] для трех групп популяций Pinus sylvestris. Длительность поколения принята за 100 лет. Приведено также значение стати
стики Fs [28]. * Fs значим во всех группах.
структуры. При любом числе групп популяций K Распределение парных различий “mismatch
образовывался один кластер, включающий боль distribution” было одновершинным и соответ
шую часть популяций, и один или несколько кла ствовало модели скачкообразного популяцион
стеров, содержащих одну популяцию. Ординация ного роста (рис. 2). Длины аллелей (варианты раз
популяций на основе парных RST или FST также не меров) во всех локусах также имели одновершин
выявила географической структуры (данные не ное правильное распределение, что также
приводятся). При этом RST (2.1%, табл. 2) значимо соответствовало демографической модели вне
не отличается от GST (0.9%) (P = 0.16). запного популяционного роста и пошаговому ха
Несмотря на отсутствие выраженной геогра рактеру мутационного процесса. Параметр Fs был
фической структуры, некоторые гаплотипы огра значимо отрицателен как во всех популяциях, так
ничены в своем распространении определенны и в трех вышеозначенных группах популяций в
ми регионами. Так, четыре редких, но имеющих целом (табл. 3). Время популяционного роста бы
частоту более 1% в европейских популяциях гап ло оценено как 4.4–4.7 млн лет, численность по
лотипа в азиатских выборках отсутствовали во пуляции до популяционного роста определена
все. Два других гаплотипа с частотой более 1% как 0–58 особей, после популяционного роста –
встретились только в сибирских и казахстанских 78 млн особей.
популяциях. Аналогично, еще два гаплотипа
встретились в монгольских и бурятских популя
ОБСУЖДЕНИЕ
циях, но полностью отсутствовали в сибирских и
европейских. В качестве примера на рис. 1 приве Исследование изменчивости сосны обыкно
дены географические распределения частот трех венной с помощью маркеров cpSSR выявило вы
редких гаплотипов, специфичных для трех основ сокий уровень внутрипопуляционного полимор
ных регионов. физма во всей изученной части ареала (табл. 1),
ГЕНЕТИКА том 50 №6 2014666 СЕМЕРИКОВ и др.
Частота
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Парные различия между индивидами
Монголия и Забайкалье
Европейская часть России
Сибирь и Казахстан
Рис. 2. Распределение парных различий между индивидами в объединенных выборках, представляющих три основных
региона (Европейская часть России, Сибирь и Казахстан, Забайкалье и Монголия). Мера различий – сумма различий
в числе повторов микросателлитов по всем проанализированным локусам.
что согласуется с ранее проведенными исследова ется один раз и оценить их частоты в популяциях
ниями P. sylvestris в европейских популяциях. В оказывается невозможно. Вовторых, характер
работе [31], включающей 15 популяций из Шот мутирования микросателлитных локусов, выра
ландии и из континентальной Европы, гаплоти жающийся в случайном изменении числа повто
пическое разнообразие He было 0.977, а FST = ров, обусловливает появление гомоплазий – неза
= 8.81%, при отсутствии значимых различий висимо возникающих одинаковых гаплотипов.
между Шотландией и Европой. В аналогичном ис Это снижает вероятность обнаружения гаплоти
следовании, проведенном на Пиренейском пове пов, специфичных для тех или иных групп популя
[32], He = 0.978, а FST = 3%, при отсутствии значи ций. Втретьих, перенос с пыльцой приводит к
мых различий между основными регионами. Та сравнительно быстрому перемешиванию в геогра
ким образом, для сосны обыкновенной харак фическом пространстве генеалогических линий
терно сочетание высокого уровня изменчивости хпДНК и стиранию географической структуры.
данных маркеров с очень слабо выраженной гео Исследование исторической демографии сосны
графической структурой изменчивости на протяже обыкновенной на основе маркеров cpSSR выявило
нии большей части ареала вида. Для других видов сигнал очень древнего (4.5 млн лет назад) и очень
сосен, имеющих более ограниченное или фрагмен интенсивного (от нескольких десятков особей до
тарное распространение: P. pinaster, P. halepensis, нескольких десятков миллионов особей) популяци
P. leiophylla, P. strobiformis и др. [33–36], изменчи онного роста, связанного, вероятно, с событием ви
вость cpSSR была ниже, а уровень дифференциа дообразования. На его фоне флуктуации численно
ции популяций по данным маркерам значительно сти вида, обусловленные ледниковыми циклами
выше, чем у P. sylvestris. плейстоцена, оказываются неразличимыми, по
Слабая способность cpSSR маркеров выявлять крайней мере на имеющихся данных.
географическую структуру генетической измен Все же некоторые результаты проведенного
чивости у хвойных обычно связывается со следу исследования позволяют сделать ряд выводов,
ющими причинами [32]. Вопервых, гипервариа важных для понимания истории сосны обыкно
бельность микросателлитных локусов хпДНК у венной в бореальной части ее ареала. Наши дан
многих видов приводит к тому, что большая часть ные во многом совпадают с выводами, получен
гаплотипов внутри популяционной выборки ными на основе аллозимных исследований [8, 37,
обычного размера (около 20 индивидов) встреча 38], свидетельствующими об однородности гене
ГЕНЕТИКА том 50 №6 2014ПОЛИМОРФИЗМ МИКРОСАТЕЛЛИТНЫХ ЛОКУСОВ 667
тической структуры сосны обыкновенной на ос реальной части ареала сосны обыкновенной из
новной части ее ареала. Тем не менее, как и алло одного источника – ледникового рефугиума. По
зимные данные, маркеры cpSSR выявляют разли лученные данные дают достаточно оснований
чия между большими географическими регионами, предполагать более сложную последовательность
выражающиеся в наличии специфичных редких поэтапного расселения, продолжавшегося, воз
гаплотипов. Так, обнаружены отличия европей можно, на протяжении нескольких ледниковых
ских популяций от азиатских, что согласуется с циклов и прерывавшегося периодическими лед
результатами аллозимных исследований [8, 38]. никовыми климатическими фазами, в ходе кото
Надо сказать, что за исключением популяции из рых вид сохранялся в рефугиумах Фенноскандии,
Башкортостана все изученные европейские попу Сибири и Монголии.
ляции сосны обыкновенной относятся к району, Авторы выражают благодарность директору
примыкающему к Фенноскандии, маркирован Института ботаники Академии наук Монголии
ному высокой частотой редкого гаплотипа акад. Ч. Дугаржаву и директору филиала ФБУ
мтДНК, который отсутствует в азиатской части аре “Рослесозащита” ЦЗЛ Алтайского края А.Я. Бон
ала вида [15]. Этот факт, в совокупности с аллозим дареву за организационное содействие в сборе
ными данными и результатами нашего исследова материала.
ния, позволяет сделать вывод о самостоятельной Работа поддержана грантами РФФИ (1104
истории восточноевропейских и скандинавских по 92226Монг_а, 120400062а) и Программой
пуляций сосны. Ранее была обоснована гипотеза, Уральского отделения РАН № 12И42064.
что в Восточной Скандинавии располагался ре
фугиум сосны, явившийся источником реколо
низации части Восточной Европы в позднем СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
плейстоцене [15]. 1. Hewitt G. The genetic legacy of the Quaternary ice
Результаты исследования cpSSR, кроме того, ages // Nature. 2000. V. 405. P. 907–913.
указывают на тенденцию к снижению генетиче 2. Petit R.J., Aguinagalde I., de Beaulieu J.L. et al. Glacial
ского разнообразия в азиатских популяциях по refugia: hotspot but not melting pots of genetic
сравнению с европейскими (табл. 1). Примеча diversity // Science. 2003. V. 300. P. 1563–1565.
тельно, что аллозимные исследования сосны 3. Lascoux M., Palme A.E., Cheddadi R., Latta R.G. Im
обыкновенной [8, 38] также позволяют говорить о pact of Ice Ages on the genetic structure of trees and
несколько сниженном количестве аллелей и shrubs // Philosophical Transactions of the Royal Soci
уровне полиморфизма в азиатской части ареала ety of London Series BBiological Sciences. 2004.
по сравнению с европейской. Такой географиче V. 359. P. 197–207.
ский тренд можно объяснить европейским про 4. Семериков В.Л., Ирошников А.И., Ласко М. Струк
исхождением бореальных популяций сосны и по тура изменчивости митохондриальной ДНК и по
степенной потерей изменчивости в череде буты слеледниковая история лиственницы сибирской
(Larix sibirica Ledeb.) // Экология. 2007. V. 38. № 3.
лочных горлышек, произошедших в ходе С. 163–171.
расселения на восток.
5. Семерикова С.А., Семериков В.Л. Генетическая из
Другим важным результатом является обнару менчивость и дифференциация популяций пихты
жение редких гаплотипов, специфичных для Си сибирской (Abies sibirica Ledeb.) по аллозимным
бири и Казахстана или для Забайкалья и Монго локусам // Генетика. 2006. Т. 42. № 6. С. 783–792.
лии (рис. 1). Это наблюдение согласуется с рез 6. Семерикова С.А., Семериков В.Л. Изменчивость
ким скачком генетических дистанций Неи по хлоропластных микросателлитных локусов у пих
аллозимным локусам на широтной трансекте при ты сибирской (Abies sibirica Ledeb.) и двух дальне
пересечении Байкала [8], и может быть объясне восточных видов пихт A. nephrolepis (Trautv.) Maxim.
но разной историей сосны в этих двух регионах. и A. sachalinensis Fr. Schmidt // Генетика. 2007. Т. 43.
Вероятно, предковые популяции сосны – источ № 12. С. 1637–1646.
ники заселения Забайкалья и Сибири – были 7. Krutovskii K., Bergmann F. Introgressive hybridization
изолированы друг от друга достаточное число по and phylogenetic relationships between Norway, Picea
колений для накопления этих небольших, но за abies (L.) Karst., and Siberian, P. obovata Ledeb.,
метных отличий. spruce species studied by isozyme loci // Heredity.
1995. V. 74. P. 464–480.
В заключение можно сделать вывод, что ана 8. Санников С.Н., Санникова Н.С., Петрова И.В.
лиз изменчивости хлоропластных микросателли Очерк по теории лесной популяционной биоло
тов выявил хотя и слабую, но достаточно выра гии. Екатеринбург: РИО УрО РАН, 2012. 272 с.
женную географическую структуру, несовмести 9. Нейштадт М.И. История лесов и палеогеография
мую с гипотезой недавней, произошедшей после СССР в голоцене. М.: Издво АН СССР, 1957.
последнего оледенения, реколонизации всей бо 404 с.
ГЕНЕТИКА том 50 №6 2014668 СЕМЕРИКОВ и др.
10. Кременецкий К.В. История ареалов основных хвой 24. Goldstein D.B., Ruiz Linares A., Cavalli$Sforza L.L.,
ных пород Сибири в голоцене // Короткопериод Feldman M.W. An evaluation of genetic distances for
ные и резкие ландшафтноклиматические измене use with microsatellite loci // Genetics. 1995. V. 139.
ния за последние 15000 лет. М.: ИГ РАН, 1994. P. 463–471.
С. 160–210. 25. Pons O., Petit R.J. Measuring and testing genetic differ
11. Binney A.H., Willis K.J., Edwards M.E. et al. The distri entiation with ordered versus unordered alleles // Ge
bution of lateQuaternary woody taxa in northern Eur netics. 1996. V. 144. P. 1237–1245.
asia: evidence from a new macrofossil database // Qua 26. Rohlf E.J. Numerical Taxonomy and Multivariate
ternary Sci. Reviews. 2009. V. 28. P. 2445–2464. Analysis System. N.Y: Exter Publ. LTD, 1988.
12. Neale D.B., Sederoff R.R. Paternal inheritance of chlo 27. Dupanloup I., Schneider S., Excoffier L. A simulated an
roplast DNA and maternal inheritance of mitochondri nealing approach to define the genetic structure of pop
al DNA in loblolly pine // Theor. Applied Genet. 1989. ulations // Mol. Ecol. 2002. V. 11. P. 2571–2581.
V. 77. P. 212–216.
28. Fu Y.X. Statistical tests of neutrality of mutations
13. Naydenov K., Senneville S., Beaulieu J. et al. Glacial vi
against population growth, hitchhiking and back
cariance in Eurasia: mitochondrial DNA evidence
ground selection // Genetics. 1997. V. 147. P. 915–925.
from Scots pine for complex heritage involving geneti
cally distinct refugia at midnorthern latitudes and in 29. Rogers A.R., Harpending H. Population growth makes
Asia Minor // BMC Evol. Biol. 2007. V. 7. № 233. waves in the distribution of pairwise genetic
14. Pyhäjärvi T., Salmela M., Savolainen O. Colonization differences // Mol. Biol. Evol. 1992. V. 9. P. 552–569.
routes of Pinus sylvestris inferred from distribution of 30. Navascués M., Vaxevanidou Z., González$Martínez S.C.
mitochondrial DNA variation // Tree Genet. Genom. et al. Chloroplast microsatellites reveal colonization
2008. № 4. P. 247–254. and metapopulation dynamics in the Canary Island
15. Видякин А.И., Семериков В.Л., Полежаева М.А., pine // Mol. Ecol. 2006. V. 15. P. 2691–2698.
Дымшакова О.С. Распространение гаплотипов ми 31. Provan J., Soranzo N., Wilson N.J. et al. Genepool
тохондриальной ДНК в популяциях сосны обык variation in Caledonian and European Scots pine (Pi$
новенной (Pinus sylvestris L.) на севере Европей nus sylvestris L.) revealed by chloroplast simplese
ской России // Генетика. 2012. Т. 48. № 12. С. 1440– quence repeats // Proc. Royal Society BBiological
1444. Sciences. 1998. V. 265. № 1407. P. 1697–1705.
16. Provan J., Soranzo N., Wilson N.J. et al. A low mutation 32. Robledo$Arnuncio J.J., Collada C., Alia R., Gil L. Ge
rate for chloroplast microsatellites // Genetics. 1999. netic structure of montane isolates of Pinus sylvestris L.
V. 153. P. 943–947. in a Mediterranean refugial area // J. Biogeography.
17. Walter R., Epperson B.K. Geographic pattern of genetic 2005. V. 32. № 4. P. 595–605.
variation in Pinus resinosa: area of greatest diversity is 33. Bucci G., Anzidei M., Madaghiele A., Vendramin G.G.
not the origin of postglacial populations // Mol. Ecol. Detection of haplotypic variation and natural hybrid
2001. V. 10. P. 103–111. ization in halepensiscomplex pine species using chlo
18. Vendramin G.G., Fady B., Gonzalez$Martinez S.C. et al. roplast simple sequence repeat (SSR) markers // Mol.
Genetically depauperate but widespread: The case of an Ecol. 1998. V. 7. № 12. P. 1633–1643.
emblematic mediterranean pine // Evolution. 2008. 34. Bucci G., Gonzalez$Martinez S.C., Le Provost G. et al.
V. 62. № 3. P. 680–688. Rangewide phylogeography and gene zones in Pinus
19. Devey M.E., Bell J.C., Smith D.N. et al. A genetic link pinaster Ait. revealed by chloroplast microsatellite
age map for Pinus radiata based on RFLP, RAPD and markers // Mol. Ecol. 2007. V. 16. № 10. P. 2137–2153.
microsatellite markers // Theor. Appl. Genet. 1996. 35. Rodriguez$Banderas A., Vargas$Mendoza C.F.,
V. 92. P. 673–679. Buonamici A., Vendramin G.G. Genetic diversity and
20. Vendramin G.G., Lelli L., Rossi P., Morgante M. A set of phylogeographic analysis of Pinus leiophylla: a post
primers for the amplification of 20 chloroplast micro glacial range expansion // J. Biogeography. 2009. V. 36.
satellites in Pinaceae // Mol. Ecol. 1996. V. 5. P. 111– № 9. P. 1807–1820.
114. 36. Moreno$Letelier A., Pinero D. Phylogeographic struc
21. Nei M. Molecular Evolutionary Genetics. N.Y.: Co ture of Pinus strobiformis Engelm. across the Chihua
lumbia Univ. Press, 1987. 512 c. huan Desert filterbarrier // J. Biogeography. 2009.
22. El Mousadik A., Petit R.J. High level of genetic differen V. 36. № 1. P. 121–131.
tiation for allelic richness among populations of the ar 37. Wang X.$R., Szmidt A., Lindgren D. Allozyme differen
gan tree (Argania spinosa (L.) Sceels) endemic to Mo tiation among populations of Pinus sylvestris (L.) from
rocco // Theor. Appl. Genet. 1996. V. 92. P. 832–839. Sweden and China // Hereditas. 1991. V. 114. P. 219–
23. Excoffier L., Laval G., Schneider S. ARLEQUIN ver. 3.1: 226.
An Integrated Software Package for Population Genet 38. Семериков В.Л., Подогас А.В., Шурхал А.В. Структу
ics Data Analysis. Computational and Molecular Pop ра изменчивости аллозимных локусов в популяци
ulation Genetics Lab (CMPG). Institute Zoology, ях сосны обыкновенной // Экология. 1993. № 1.
Univ. Bern, Bern, Switzerland, 2006. С. 18–25.
ГЕНЕТИКА том 50 №6 2014ПОЛИМОРФИЗМ МИКРОСАТЕЛЛИТНЫХ ЛОКУСОВ 669
Microsatellite Loci Polymorphism of Chloroplast DNA of the Pine Tree
(Pinus sylvestris L.) in Asia and Eastern Europe
V. L. Semerikova, S. A. Semerikovaa, O. S. Dymshakovaa, K. G. Zatsepinab,
V. V. Tarakanovb, I. V. Tikhonovab, A. K. Ekartb, A. I. Vidyakinc,
S. Jamiyansurend, R. V. Rogovtseve and L. I. Kalchenkof
a
Institute of Plant and Animal Ecology, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, 620144 Russia
e$mail: semerikov@ipae.uran.ru
b
Forest Institute, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Krasnoyarsk, 660036 Russia
c Institute for Biology, Komi Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Kirov, 610035 Russia
d
Institute of Botany, Academy of Science of Mongolia, Ulan$Bator, 210361 Mongolia
e
Center for Forest Protection of Novosibirsk Region, Novosibirsk, 630015 Russia
f
Center for Forest Protection of Altai Region, Barnaul, 656056 Russia
The variability of four microsatellite loci of chloroplast DNA was studied in 38 populations of Pinus sylvestris in
the European part of Russia, Siberia, Kazakhstan, Transbaikalia and Mongolia. High variability was observed in
all regions. In total, 152 haplotypes were identified. The level of population differentiation RST was 2.1%. The
differentiation of three geographical groups of populations (European, SiberianKazakhstan and Trans
baikalianMongolian) was insignificant (RCT = 0.004%). At the same time, some rare haplotypes were found to
be specific for a certain geographical region. Distribution of the rare haplotypes, which differentiated European
populations from Asian populations and Mongolian and Transbaikalian populations from the Siberian, showed
the independence of the history of these regions. This corresponds more to the hypothesis that the modern areal
of Pinus sylvestris originated via settlement from many origins than to the hypothesized single center of the post
boulderperiod of recolonization. The distribution of the pair differences between the individual specimens cor
responded to the model of sudden population growth. The assessments of the age of this event for Pinus sylvestris
(4.5–4.7 million years), which were obtained on the basis of this model, significantly exceeded the age of the
quaternary period. Therefore, the revealed growth of populations is hardly due to the changes in flora related
with the boulderperiod, but rather mirrors the moment of the species formation.
ГЕНЕТИКА том 50 №6 2014Вы также можете почитать
