Курсовая работа: Генетическая изменчивость дифференциация и таксономические взаимоотношения у лиственниц сибирской
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, Gpi0.65 – это обозначение гена, кодирующего аллозим, подвижность которого на 35% медленнее Gpi1.00 . 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 .
В результате электрофоретического анализа ферментных систем у трех лиственниц нами было обнаружено 40 различных электрофоретических аллельных вариантов у L. sibirica , 29у L. sukaczewii и 48 уL. dahurica.
Частоты встречаемости всех 62 аллелей, отражающие генетические структуры трех видов лиственниц, представлены в табл. 2. Из таблицы хорошо видно, что L . sibirica и L . sukachevii имеют крайне сходные генетические структуры практически по всем локусам. Четкие различия в аллельных частотах, превышающие 20%, наблюдались только по двум локусам: Aat-1и Mdh-3. Более существенные отличия в генетических структурах были выявлены между L . sibirica и L. dahurica. Здесь четкие различия между двумя видами найдены по аллелям четырех локусов: Aat-1, Mdh-3, Pgm-1 и 6-Pgd-2. Что касается пары L. dahurica и L . sukachevii , то в этом случае существенные различия в аллельных частотах, превышающие 20%, наблюдались уже по пяти локусам. Причем по Aat-1 эти различия достигли 52%, а по Mdh-3 даже 64% (табл. 2).
Локусы, различия по которым достигают 95% и более (Ayala, Powell 1972; Левонтин, 1978) предложили считать «диагностическими», т.е. такими, по которым таксоны различаются качественно. Наличие «диагностических» локусов обычно характеризует четкие виды с полностью сформировавшимся репродуктивным барьером. В нашем случае разницу в частотах аллелей по локусам Aat-1 и Mdh-3 между L . sukachevii с одной стороны и L. dahurica с другойможно рассматривать только как тенденцию к образованию диагностических. Таким образом, только у пары L. dahurica - L . sukachevii из 20 проанализированных локусов существенная генетическая дифференциация обнаружилась в аллельных частотах двух генов (табл. 2).
Для более точной оценки степени генетической дифференциации мы использовали коэффициент генетической дистанции Неи (Nei, 1972), который учитывает отличия не только по диагностическим и существенно различающимся, но и по всем исследованным локусам.
Таблица 2 . Аллельные частоты по 20 локусам у лиственницы сибирской, лиственницы Сукачёва и лиственницы даурской.
| Локус | Аллели | Виды | Локус | Аллели | Виды | ||||
| L. sib. | L. suk . | L. dah. | L. sib. | L. suk . | L. dah. | ||||
| Aat-1 | n | 45 | 23 | 90 | Gpi | n | 44 | 23 | 90 |
| 1.00 | 0.676 | 0.478 | 0.995 | 0.65 | 0.011 | 0.000 | 0.000 | ||
| 1.15 | 0.324 | 0.522 | 0.005 | 0.75 | 0.044 | 0.000 | 0.078 | ||
| Aat-2 | n | 46 | 23 | 90 | 0.90 | 0.117 | 0.000 | 0.000 | |
| 0.80 | 0.000 | 0.000 | 0.005 | 1.00 | 0.828 | 1.000 | 0.878 | ||
| 1.00 | 0.870 | 1.000 | 0.992 | 1.10 | 0.000 | 0.000 | 0.022 | ||
| 1.20 | 0.130 | 0.000 | 0.005 | 1.20 | 0.000 | 0.000 | 0.022 | ||
| Aat-3 | n | 46 | 23 | 90 | 6-Pgd-1 | n | 44 | 23 | 90 |
| 1.00 | 1.000 | 1.000 | 0.989 | 1.00 | 1.000 | 0.957 | 1.000 | ||
| 2.00 | 0.000 | 0.000 | 0.011 | 1.10 | 0.000 | 0.043 | 0.000 | ||
| Skdh | n | 44 | 23 | 90 | 6-Pgd-2 | n | 43 | 23 | 90 |
| 0.75 | 0.000 | 0.043 | 0.000 | 0.80 | 0.152 | 0.174 | 0.000 | ||
| 0.95 | 0.000 | 0.000 | 0.022 | 1.00 | 0.722 | 0.826 | 1.000 | ||
| 1.00 | 1.000 | 0.957 | 0.934 | 1.10 | 0.126 | 0.000 | 0.000 | ||
| 1.10 | 0.000 | 0.000 | 0.044 | Lap-1 | n | 47 | 23 | 90 | |
| Gdh | n | 45 | 23 | 90 | 0 | 0.000 | 0.000 | 0.017 | |
| 1.00 | 1.000 | 1.000 | 1.000 | 0.95 | 0.000 | 0.000 | 0.017 | ||
| Idh | n | 45 | 23 | 90 | 1.00 | 1.000 | 1.000 | 0.966 | |
| 1.00 | 1.000 | 1.000 | 1.000 | Lap-2 | n | 47 | 23 | 90 | |
| Mdh-1 | n | 47 | 23 | 90 | 0.95 | 0.000 | 0.000 | 0.105 | |
| 0.80 | 0.000 | 0.000 | 0.022 | 1.00 | 0.989 | 1.000 | 0.856 | ||
| 1.00 | 1.000 | 1.000 | 0.973 | 1.05 | 0.011 | 0.000 | 0.039 | ||
| 1.20 | 0.000 | 0.000 | 0.005 | Pgm-1 | n | 45 | 23 | 90 | |
| Mdh-2 | n | 47 | 23 | 90 | 0 | 0.012 | 0.000 | 0.011 | |
| 0.80 | 0.000 | 0.000 | 0.022 | 0.90 | 0.033 | 0.000 | 0.117 | ||
| 1.00 | 1.000 | 1.000 | 0.778 | 1.00 | 0.955 | 1.000 | 0.650 | ||
| 1.15 | 0.000 | 0.000 | 0.195 | 1.03 | 0.000 | 0.000 | 0.133 | ||
| 1.35 | 0.000 | 0.000 | 0.005 | 1.10 | 0.000 | 0.000 | 0.078 | ||
| Mdh- 3 | n | 47 | 23 | 90 | 1.20 | 0.000 | 0.000 | 0.011 | |
| 0 | 0.000 | 0.000 | 0.005 | Pgm-2 | n | 45 | 23 | 90 | |
| 0.50 | 0.150 | 0.587 | 0.000 | 1.00 | 0.988 | 1.000 | 0.989 | ||
| 0.80 | 0.310 | 0.087 | 0.027 | 1.10 | 0.012 | 0.000 | 0.011 | ||
| 1.00 | 0.540 | 0.326 | 0.963 | Fl-Est | n | 40 | 23 | 90 | |
| 1.25 | 0.000 | 0.000 | 0.005 | 0.50 | 0.025 | 0.000 | 0.000 | ||
| Mdh- 4 | n | 47 | 23 | 90 | 0.80 | 0.055 | 0.043 | 0.000 | |
| 0 | 0.053 | 0.000 | 0.000 | 1.00 | 0.756 | 0.696 | 1.000 | ||
| 1.00 | 0.885 | 1.000 | 0.955 | 1.20 | 0.167 | 0.261 | 0.000 | ||
| 1.10 | 0.105 | 0.000 | 0.000 | Aco | n | 43 | 23 | 90 | |
| 1.40 | 0.052 | 0.000 | 0.005 | 0.95 | 0.126 | 0.000 | 0.000 | ||
| Sdh | n | 44 | 23 | 90 | 1.00 | 0.874 | 0.978 | 1.000 | |
| 1.00 | 1.000 | 1.000 | 1.000 | 1.05 | 0.000 | 0.022 | 0.000 | ||
| L . sib .- лиственница сибирская, L . suk .- лиственница Сукачева, L . dah .- лиственница даурская, n – количество проанализированных деревьев. | |||||||||
Значения коэффициентов дистанции (DN ) по 20 генам для трех лиственниц Палеарктики представлены в табл. 3. Как и следовало ожидать, исходя из сравнения аллельных частот, наименьшее значение коэффициента дистанции Неи выявлено между лиственницей сибирской и Сукачева, средняя величина DN для которых составила 0.015 (табл. 3). Иными словами, эти лиственницы, отличаются лишь по 1,5% своих локусов, что характерно только для географически связанных популяций одного вида, значение DN между которыми находится в пределах от 0 до 0.030 (Yeh, O'Malley, 1980; Guries, Ledig, 1982; Wheeler, Guries, 1982; Dancik, Yeh, 1983; Plessas, 1986; Ross, Hawkins, 1986; Yehetal, 1986; Merkle, Adams, 1987; Cheliaketal., 1988; Millar et al., 1988; Gianninietal 1991; Goncharenkoetal, 1993a, b, 1994, Boscherinietal, 1994; Hawley, DeHayes, 1994; Kimetal, 1994; Teisseireetal, 1995; Silin, Goncharenko 1996; Rajaetal, 1997), тогда как дистанция даже между молодыми видами с неполным репродуктивным барьером обычно составляет 0.10 (Dancik, Yeh, 1983; Wheeler et al., 1983; Wheeler, Guries, 1987; Millar et al., 1988; Hawley, DeHayes, 1994; Goncharenko et al., 1992, 1995; Гончаренко 1999).
Исходя из всей совокупности полученных нами генетических данных, можно сделать однозначное заключение о том, что нет никаких оснований считать лиственницу сибирскуюи лиственницу Сукачева самостоятельными видами, поскольку между ними выявлено огромное сходство генетических структур практически по всем проанализированным локусам, а значение генетической дистанции Неи составило лишь 0.015. Все это еще раз подтверждает мнение тех исследователей, которые рассматривают две лиственницы только как морфологически обособленные популяции одного вида L . sibirica Ledeb.(Бобров, 1972, Милютин, Муратова 1993).
Как следует из данных приведенных в табл. 3, генетическая дистанция DN между уральской L. sukaczevii и дальневосточной L. dahurica оказалась 0.052, что почти в 4 раза выше, чем дистанция между L . sibirica и L . sukachevii . Это значение DN является немногим выше, чем дистанция Неи, обычно наблюдаемая между подвидами и географическими расами у хвойных, но несколько ниже, чем DN , характерная для близкородственных видов, установленная в основном для сосен и елей (Wheeler, Guries 1982, Schiller at al. 1986, Conkle at al. 1988, Wang atal. 1990, Goncharenkoatal. 1995, Гончаренко 1999). Интересно отметить, что генетическая дистанция между географически более близкими западносибирской L . sibirica иL. dahurica меньше, чем между географически более удаленными L . sukachevii и L. dahurica и составляет 0.029 (табл.3).
С использованием невзвешенного парно-группового метода кластерного анализа (UPGMA) на базе данных табл. 3 нами построена дендрограмма, иллюстрирующая степень генетической дифференциации у трех исследованных лиственниц Палеарктики (рис. 4). Из дендрограммы хорошо видно что, как и следовало ожидать, L . sibirica и L . sukachevii объединились в один тесный кластер с дистанцией Неи между ними, составившей 0.015 и лишь затем к единому таксону урало-сибирских лиственниц подсоединяется дальневосточная L. dahurica с дистанцией, превышающей 0.041.
Генетическая дистанция DN между урало-сибирской L . sibirica и дальневосточной L. dahurica оказалась несколько ниже, чем DN , характерная для близкородственных видов хвойных. Тем не менее, полученные нами генетические данные не позволяют опровергнуть самостоятельность видового статуса L. dahurica поскольку она отличается от L . sibirica в целом боле чем 4% своего генома и имеет 2 существенно дифференцированных "полудиагностических" локуса Aat-1 и Mdh-3 (см. табл. 2).
Низкая генетическая дифференциация по структурным генам, выявленная нами между двумя общепризнанными видами, скорее всего, связана с отсутствием географической изоляции и репродуктивного барьера между ними. Как указывал в своей фундаментальной работе ведущий исследователь хвойных Палеарктики Е.Г. Бобров, на протяжении всей западной границы L. dahurica легкосмешиваетсяв процессе интрогрессив-ной гибридизации с L . sibirica , образуя гибридную лиственницу, получившую название лиственницы Чекановского – L . x czekanovskii Szaf. Причем полоса интрогрессии этих двух видов распространяется на несколько сотен километров (Бобров, 1972, 1978). По-видимому, именно вследствие интенсивной гибридизации между двумя видами происходит обмен генетическим материалом, который сглаживает и уменьшает генетическую дифференциацию.
Важной эволюционно сложившейся характеристикой является уровень генетической изменчивости, который определяется при помощи основных показателей полиморфизма. Считается, что наиболее точные оценки данных показателей достигаются при анализе 18-20 и более случайно выбранных из генома локусов (Левонтин 1978, Айала 1984). Значение основных показателей генетического полиморфизма для представителей рода Larix проанализированных с использованием 18 и более генов приведены в таблице 4.
Как видно из табл. 4, у проанализированных нами видов наименьшим уровнем генетической изменчивости характеризуется лиственница Сукачева, поскольку у неё доля полиморфных локусов, Р составила 0.350, среднее число аллелей на локус, А 1.45, а средняя ожидаемая гетерозиготность, Не оказалась 0.099. У лиственницы сибирской эти показатели оказались существенно выше: гетерозиготность Не превысила 15%, а число аллелей на локус составило 2.05. Что касается лиственницы даурской, то здесь картина оказалась сложнее, т.к. показатель А превысил 2.4, в то время как гетерозиготность едва достигла 9% (табл. 4).
Таблица 4. Основные параметры генетического полиморфизма у лиственниц, полученные при анализе 18 и более локусов.
| Вид | Доля полиморфных локусов, Р99 |
Среднее число аллелей на локус, А | Средняя ожидаемая гетерозиготность, Не | Ссылка |
| L. dahurica | 0.500 | 2.40 | 0.088 | Наши данные |
| L. dahurica | 0.601 | 2.46 | 0.129 | Потенко, Разумов 1996 |
| L. dahurica | 0.780 | 2.00 | 0.125 | Ларионова и др. 2004 |
| 0.119* | ||||
| L . decidua | 0.576 | 1.90 | 0.157 | Lewandowski,Mejnartowicz 1991 |
| L . kurilensis | 0.500 | 1.70 | 0.166 | Гончаренко, Силин 1997 |
| L . kaempferi | 0.500 | 1.60 | 0.119 | Гончаренко, Силин 1997 |
| L . laricina | 0.500 | 1.80 | 0.220 | Cheliak et al. 1988 |
| L.laricina | 0.470 | 1.70 | 0.151 | Ying, Morgenstern 1991 |
| 0.211* | ||||
| L.occidentalis | 0.304 | 1.50 | 0.082 | Fins, Seeb 1986 |
| L. sibirica | 0.600 | 2.05 | 0.153 | Нашиданные |
| L. sibirica | 0.570 | 1.70 | 0.129 | Шурхал и др. 1989 |
| 0.141* | ||||
| L . sukaczevii | 0.350 | 1.45 | 0.099 | Наши данные |
| L . sukaczevii | 0.670 | 1.15 | 0.043 | Тимерьянов 1996 |
| L . sukaczevii | 0.319 | 1.55 | 0.122 | Путенихин, Старова 1991 |
| 0.071* | ||||
| Среднее | 0.133 | |||
| * В случае, когда по виду было проведено несколько исследований, то рассчитывалась средне взвешенная величина ожидаемой гетерозиготности, зависящая от количества проанализированных локусов и деревьев. | ||||
Интересно отметить, что совпадающие с нашими показатели изменчивости у лиственницы Сукачева получены и в одной работе уральских исследователей (Путенихин 1991), в тоже время в другой (Тимерьянов и др., 1996) – гетерозиготность Не была аномально низкой и составила только 4%, а показатель А едва превысил 1.1. В исследовании Шурхала и др. (1989), посвященном L . sibirica , полиморфизм оказался достаточно высок, хотя и чуть ниже выявленного нами (табл. 4). Что касается L. dahurica, то в работах Потенко, Разумова (1996) и Ларионовой и др. (2004) гетерозиготность в популяциях этого вида превысила 12%, хотя количество аллелей на локус колебалось в разных популяциях от 2.0 до 2.4. (табл. 4).
Анализируя данные таблицы 4, по роду Larix в целом следует сказать, что наиболее высокий уровень гетерозиготности (Не =22%) среди всех проанализированных в настоящее время лиственниц отмечен в одной из работ для L . laricina (Cheliaketal. 1980), которая имеет широкое распространение на североамериканском континенте, однако в другой работе (YingL., Morgenstern, 1991), посвященной генетическому исследованию этого же вида, показатели гетерозиготности были существенно нижеи хорошо соотносятся с таковыми, полученными нами по западносибирской L . sibirica . Наименьший среди исследованных лиственниц уровень изменчивости (Не =8%)выявлен у L. occidentalis (Fins, Seeb 1986), имеющей небольшой ареал в Северной Америке (табл. 4). Интересно отметить, что в целом у 8 проанализированных видов рода Larix 51.8% локусов находится в полиморфном состоянии, а каждая особь гетерозиготна в среднем по 13.3% своих генов. В этом отношении лиственницы по уровню полиморфизма уступают соснам, у которых
,рассчитанная для 30 видов, составила 15.8%, елям, гдедля 12 видов составила 18%, и пихтам, гдедля 8 видов составила 15.4% (см. сводки в Гончаренко, Силин 1997; Гончаренко, Савицкий 2000; Гончаренко, Падутов 2001).
Заключение
Таким образом, в результате проведенного нами генетического анализа природных популяций трех лиственниц, произрастающих в сибирско-дальневосточном регионе Палеарктики, с использованием 20 аллозимных локусов установлено, что выявленная близкая генетическая структура у L. sibirica и L . sukaczevii с дистанцией Неи (DN ), равной всего 0.015 дает основание рассматривать их только как морфологически обособленные популяции одного видаLarix sibirica . Низкая генетическая дифференциация между L . sibirica иL. dahurica с DN , составившей 0.052, свидетельствует об интенсивной гибридизации и обмене генетическим материалом между двумя географически связанными видами, однако не позволяет опровергнуть самостоятельность видового статуса L. dahurica. Обнаружены высокие значения показателей изменчивости лиственницы сибирской и лиственницы даурской, величины которых соотносятся с таковыми, полученными для видов с широкими ареалами, в то время как у лиственницы Сукачева установлен наименьший уровень генетической изменчивости среди исследованных видов.
л итература
1. Бобров Е. Г. Лесообразующие хвойные СССР. Л.: Наука, 1978. 190 с.
2. Гончаренко Г.Г., Падутов В.Е., Потенко В.В. Руководство по исследованию хвойных видов методом электрофоретического анализа изоферментов. Гомель, 1989.
3. Гончаренко Г.Г., Силин А.Е. К вопросу о генетической изменчивости и дифференциации лиственницы курильской (Larix kurilensis Mayr.) и лиственницы японской (Larix kaempferi Sarg.)// Докл. АН России. - 1997. Т. 355. № 3. C. 835-838.
4. Гончаренко Г.Г. Геносистематика и эволюционная филогения лесообразующих хвойных Палеарктики. Минск: Тэхналогiя, 1999. 188 с.