IMCES - Результаты по гранту РФФИ №13-04-01649 в 2013 г.

«Генетическая изменчивость кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour): структура и взаимосвязь нейтрального и адаптивного компонентов»

Кедр сибирский (Pinus sibirica Du Tour) - один из эдификаторов лесных экосистем бореальной зоны Евроазиатского континента. Кедр сибирский обладает большим ареалом (рис. 1) и характеризуется определенным уровнем внутривидовой изменчивости, знания о которой базируются на анализе как фенотипических, так и биохимических и молекулярно-генетических признаков, которые у данного вида слабо изучены. Объектом исследования являлись географические экотипы кедра сибирского, представляющие значительную часть видового ареала (рис. 1).

Рисунок 1. Географическое положение мест произрастания исследованных экотипов кедра сибирского.

Примечание: У – Уренгой, ТС - Тарко-Сале, Нб - Ноябрьск, Стр – Стрежевой, Вб - Виссарионов бор, Б – Баталино, Нв – Невьянск, Он - Большой Он, Т – Тайшет, Сл – Слюдянка, Сб - Северо-Байкальск.

За отчетный период в рамках выполнения работ по проекту были проведены исследования изменчивости нейтральных и в различной степени селективных признаков кедра сибирского.

Определение последовательности ядерной ДНК кедра сибирского с использованием методов массового параллельного секвенирования ДНК проведен на платформе Illumina MiSeq для идентификации микросателлитных локусов. После анализа полученных данных с помощью программного обеспечения было отобрано 16 фрагментов ДНК, содержащих короткие повторы и фланкированные последовательностями, которые могли бы выступить в качестве праймеров для последующего фрагментного анализа.

Анализ параметров аллозимной изменчивости в изученных популяциях показал, что минимальный уровень генетической изменчивости отмечается по окраинам ареала, из которых в этом отношении особенно выделяется юго-восточная; максимальный – смещен к северо-западу от географического центра ареала. Самые низкие оценки аллельного разнообразия были получены для экотипов с трех границ распространения вида - западной, северной и восточной. Распределение исследуемых выборок в плоскости главных компонент, полученных при многомерном анализе частот аллелей полиморфных изоферментных локусов (рис. 2) характеризует генетическую структуру ареала кедра сибирского по аллозимным локусам. Соответствие генетической подразделенности экотипов по изоферментным локусам и климатической неоднородности ареала позволяет сделать предположение о частичной селективности аллозимного полиморфизма.

Рисунок 2. Ординация выборок экотипов кедра сибирского на плоскости первых двух главных компонент по результатам анализа частот изоферментых локусов. Обозначения экотипов приведены в соответствии с рисунком 1.

Исследования ex situ ведутся в клоновом архиве ИМКЭС СО РАН – уникальной для России коллекции видов и экотипов 5-хвойных сосен (рис. 3). Участниками проекта проведен анализ наиболее важных признаков, предположительно имеющих адаптивное значение и характеризующих морфогенез и рост дерева, а также продуктивность и устойчивость деревьев, которые во многом определяются структурно-функциональными признаками ассимиляционного аппарата.

Рисунок 3. Клоновый архив ИМКЭС СО РАН

Были установлены корреляционные связи между этими признаками и различными климатическими элементами. С сокращением теплообеспеченности вегетационного периода в районах происхождения экотипов существенно снижалась интенсивность органогенеза и роста побега у их вегетативного потомства. Также было установлено, что изменчивость площади смоляных каналов (рис. 4) имеет модификационную природу, а повышенная устьичная плотность (рис. 5) и более мощная эпидерма у северных экотипов по сравнению с южно-таежным закреплены генетически.

Рисунок 4. Поперечный срез хвои кедра сибирского

Рисунок 5. Ряды устьиц в эпидерме кедра сибирского

В августе 2013 г. была проведена экспедиция в Витимский заповедник, расположенный в северо-восточной части ареала кедра сибирского, с целью сбора растительного материала для расширения коллекции экотипов кедра сибирского и создания новых селекционных объектов, а также для проведения молекулярно-генетических исследований. В 2 районах заповедника были проведены маршрутные наблюдения и сбор материала. При маршрутных наблюдениях проводилось описание особенностей района и оценка встречаемости исследуемого вида с топографической привязкой и оценка его жизненного состояния. Первый район, где проводились маршрутные наблюдения – территория, прилегающая к рекам Витим и Амалык (57°30' с.ш., 113°32' в.д., 350-500 м над ур. м). Второй район включал устье Оронской протоки и голец Маркелова (57°11' с.ш., 116°26' в.д., 362-800 м над ур. м.). Репитер gsm

Материал для исследований (ветви с почками и хвоей) собирали с взрослых деревьев, достигших стадии семеношения. Собранный материал был разделен на 3 группы: для исследования изоферментов, для молекулярно-генетических исследований и для вегетативного размножения. Черенки (3-7 шт.) с каждого дерева были привиты на молодые саженцы кедра сибирского местного экотипа в клоновом архиве на стационаре «Кедр» Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН. Из собранной хвои была выделена ДНК для дальнейших исследований.