Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОПУЛЯЦИЙ POPULUS NIGRA L. НА СРЕДНЕМ И ЮЖНОМ УРАЛЕ НА ОСНОВАНИИ ПОЛИМОРФИЗМА ISSR-МАРКЕРОВ

Никоношина Н.А. 1 Мартыненко Н.А. 1 Нечаева Ю.С. 1, 2 Пришнивская Я.В. 1, 2 Боронникова С.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
2 Естественно-научный институт ПГНИУ
Молекулярно-генетический анализ проведен у четырех популяций Populus nigra L., расположенных на Среднем и Южном Урале. В четырёх изученных популяциях тополя чёрного на Среднем и Южном Урале выявлено 49 ISSR-маркеров, из которых 43 (Р95=0,878) были полиморфными. Наибольшие значения параметров генетического разнообразия отмечены в популяции P. nigra Pn_4 (HE=0,233; ne=1,425; R=2; Р95=0,788), а наименьшие – в популяции Pn_1 (HE=0,187; ne=1,302; R=0). Наименьшая доля полиморфных локусов (Р95=0,725) отмечена в популяции Pn_3. Наименьшее генетическое расстояние между исследуемыми популяциями P. nigra отмечено между Pn_2 «Бирск» и Pn_4 «Стерлитамак» (D=0,132), наиболее генетически удаленными являются популяции Pn_1 «Спасская гора» и Pn_4 «Стерлитамак» (D=0,242). Анализ генетической структуры изученных популяций показал, что ожидаемая доля гетерозиготных генотипов в общей выборке (HT) составила 0,291, а ожидаемая доля гетерозиготных генотипов в субпопуляции (HS) – 0,221, поэтому коэффициент подразделенности популяций (GST) невысок и равен 0,239. На межпопуляционную компоненту генетического разнообразия тополя чёрного приходится 23,9%, а на внутрипопуляционную – 76,1%. Из этого следует, что изученные популяции P. nigra на Среднем и Южном Урале дифференцированы в средней степени. Даны рекомендации по сохранению генетического разнообразия изученных популяций тополя чёрного на Среднем и Южном Урале.
полиморфизм ДНК
генетическое разнообразие
issr-pcr маркеры
генетическая структура популяций
populus nigra l.
1. Боронникова С.В. Молекулярно-генетический анализ и оценка состояния генофондов ресурсных видов растений Пермского края : монография. – Пермь : Перм. гос. нац. исслед. ун-т, 2013. – 223 с.
2. Динамика популяционных генофондов при антропогенных воздействиях / под ред. Ю.П. Алтухова. ‒ М. : Наука, 2004. - 619 с.
3. Мартыненко Н.А. Генетическая дифференциация на основании полиморфизма микросателлитных маркеров популяций тополя чёрного на Среднем и Южном Урале / Н.А. Мартыненко, А.Р. Ахметов, С.В. Боронникова и др. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. ‒ 2015. ‒ Т. 17. ‒ № 5. ‒ С. 149-154.
4. Светлакова Т.Н. Эколого-генетический анализ популяционной структуры Populus tremula L. в Пермском крае / Т.Н. Светлакова, И.В. Бобошина, С.В. Боронникова и др. // Экологическая генетика. – 2012. – Вып. 3. – С. 43-47.
5. Скворцов А.К. Полиморфизм бальзамических тополей (Populus L., секция Tacamahaca) по данным ISSR маркирования / А.К. Скворцов, С.С. Беэр, И.А. Шанцер // Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века. ‒ 2010. ‒ С. 76-77.
6. Association genetics of chemical wood properties in black poplar (Populus nigra) / F.P. Guerra [et al.] // New Phytologist. ‒ 2013. ‒ Т. 197. ‒ №. 1. ‒ P. 162-176.
7. Association genetics of traits controlling lignin and cellulose biosynthesis in black cottonwood (Populus trichocarpa, Salicaceae) secondary xylem / J.L. Wegrzyn, A.J. Eckert, M. Choi // New Phytol. ‒ 2010. ‒ V. 188 (2). ‒ P. 515.
8. Heinze B. Analysis of Variation in Chloroplast DNA Sequences / B. Heinze, A. Koziel-Monte, D. Jahn // Methods in molecular biology: Methods and Protocols. ‒ 2014. ‒ V. 1115. ‒ P. 85-120.
9. Jansson S. Genetics and genomics of Populus: Crops and Models / R.P. Bhalerao, A.T. Groover. ‒ New York : Springer, 2010. - Р. 3-7.
10. Nei M. Mathematical model for studying genetic variation in terms restriction endonucleases / M. Nei, W.-H. Li // Proceedings the National Academy Sciences. USA. ‒ 1979. ‒ № 76. ‒ P. 5269-5273.
11. Rogers S.O., Bendich A.J. Extraction of DNA from milligram amounts of fresh, herbarium and mummified plant tissues // Plant Molecular Biology. – 1985. – Vol. l, № 19. – P. 69-76.
12. Smulders M.J. Trinucleotide repeat microsatellite markers for black poplar (Populus nigra L.) / M.J. Smulders, M. Van Der Schoot, P. Arens // Molecular Ecology Notes. ‒ 2001. ‒ V. 1. ‒ P. 188-190.
13. Tuskan G.A. The genome of black cottonwood, Populus trichocarpa (Torr. and Gray) / Tuskan G.A., DiFazio S., Jansson S. // Science. ‒ 2006. ‒ V. 313. ‒ P. 1596-1604.
14. Vanholme B. Breeding with rare defective alleles (BRDA): a natural Populus nigra L. HCT mutant with modified lignin as a case study / B. Vanholme, I. Cesarino, G. Goeminne // New Phytol. ‒ 2013. ‒ V. 198 (3). ‒ P. 765-776.
15. Wan X.Q. Study of genetic relationships and phylogeny of the native Populus in Southwest China based on nucleotide sequences of chloroplast trnT–trnF and nuclear DNA / X.Q. Wan [et al.] // Plant systematics and evolution. ‒ 2013. ‒ Т. 299. ‒ №. 1. ‒ P. 57-65.
16. Zietkiewicz E., Rafalski A., Labuda D. Genome fingerprinting by simple sequence repeat (SSR)-anchored polymerase chain reaction amplification // Genomics. – 1994. – V. 20. – P. 76–183.

Для разработки стратегии сохранения и рационального природопользования лесных ресурсов, обеспечивающей удовлетворение экономических потребностей общества и охрану биоразнообразия природных сообществ, необходимы глубокие знания о состоянии генофондов основных лесообразующих древесных видов растений [2]. Род Populus является модельным для генетических исследований древесных видов растений благодаря небольшому размеру генома, незначительной генетической изменчивости, быстрым темпам роста по сравнению с другими древесными видами [9]. Populus trichocarpa L. – первый вид из древесных растений, чей геном был секвенирован [13]. P. nigra играет важнейшую роль при сохранении пойменных экосистем и используется как источник древесины в промышленности и строительстве. Большое генетическое разнообразие и проблемы в таксономии клонов и гибридов указывают на применение именно популяционного подхода для изучения P. nigra [14]. Геном тополя чёрного не секвенирован полностью, но посредством молекулярного маркирования и SNP (Single Nucliotide Polymorphism) активно изучается как ядерная [5; 6; 12], так и хлоропластная [8; 15], а также митохондриальная ДНК [7]. В Пермском крае изучено генетическое разнообразие популяций тополя дрожащего на основании полиморфизма ISSR (Inter-Simple Sequence Repeats)-PCR маркеров и SNP-маркеров [4]. Генетическое разнообразие популяций P. nigra изучено на Среднем и Южном Урале на основе полиморфизма SSR (Single Nucleotide Repeats)-PCR маркеров [3], которые выявляют полиморфизм микросателлитных локусов. В качестве молекулярных маркеров, как показано на примере других видов тополей (P. tremula) на Урале [4], эффективны ISSR-маркеры, используемые при анализе полиморфизма межмикросателлитных последовательностей. Изучение генетического разнообразия, генетической структуры и дифференциации популяций тополя чёрного на Среднем и Южном Урале на основании межмикросателлитного анализа ранее не проводилось.

Целью данного исследования являлось определение генетического разнообразия и генетической структуры у четырёх популяций P. nigra на Среднем и Южном Урале на основании полиморфизма ISSR-PCR маркеров.

Материал и методы исследования

Объектами исследований являлись четыре популяции P. nigra из разных ботанико-географических районов Среднего и Южного Урала: первая популяция (Pn_1, или Спасская гора), расположенная в историко-природном комплексе «Спасская гора» в зоне островной Кунгурской лесостепи южной тайги Пермского края (Средний Урал); вторая популяция (Pn_2, или Бирск) находится около г. Бирск Республики Башкортостан в лесостепном районе Южного Урала; третья популяция (Pn_3, или Стерлитамак), расположенная около г. Стерлитамак Республики Башкортостан в степном районе Южного Урала; четвертая популяция (Pn_4, или Инзер) находится на территории Южно-Уральского заповедника в горном районе Южного Урала. Минимальное географическое расстояние между популяциями составило около 137 км (между Pn_3 и Pn_4), а максимальное – около 380 км (между Pn_1 и Pn_3).

Для молекулярно-генетического анализа P. nigra были собраны листья с 30-32 случайно избранных деревьев на расстоянии не менее 50 м друг от друга. Для выделения ДНК использовали модифицированную методику S.O. Rogers [11], в которой использовали в качестве детергента СТАВ+PVPP (цетилтриметиламониум бромид + поливинилполипирролидон). При выделении ДНК из листьев брали навеску по 100 мг. Концентрацию ДНК определяли с помощью спектрофотометра NanoDrop 2000 (Thermo Scientific, USA) и для ПЦР выравнивали до 10 нг/мкл.

Анализ генетического разнообразия популяций P. nigra проведен ISSR-методом анализа полиморфизма ДНК [16]. Для полимеразной цепной реакции ISSR-PCR-методом реакционная смесь объемом 25 мкл содержала: 2 единицы Tag-полимеразы («Силекс М», Россия); 2,5 мкл стандартного 10х буфера для ПЦР («Силекс М», Россия); 25 пМ праймера («Синтол», Россия); 2,5 мМ MgCl2 («Силекс М», Россия); 0,25 мM dNTP («Fermentas», Литва); 5 мкл тотальной ДНК. Амплификацию ДНК проводили в термоциклере GeneAmp PCR System 9700 («Applied Biosystems», США) по стандартной для ISSR-PCR-метода программе [1] с пятью ISSR-PCR-праймерами. Продукты амплификации разделяли электрофорезом в 1,7%-ном агарозном геле в 1х ТВЕ буфере, окрашивали бромистым этидием и фотографировали в проходящем ультрафиолетовом свете в системе гель-документации GelDoc XR (Bio-Rad, USA). Для определения длины фрагментов ДНК использовали маркер молекулярного веса ООО «СибЭнзим-М» (Москва) и программу Quantity One (Bio-Rad, USA).

Компьютерный анализ молекулярно-генетического полиморфизма ДНК проведен с помощью общепринятых компьютерных программ POPGENE 1.31 и специализированного макроса GenAlEx6 для MS-Excel с определением доли (Р95) полиморфных локусов, абсолютного (na) числа аллелей, эффективного (ne) числа аллелей, ожидаемой (HE) гетерозиготности. Для описания генетической структуры популяции были использованы следующие параметры: ожидаемая доля гетерозиготных генотипов () во всей популяции, как мера общего генного разнообразия; ожидаемая доля гетерозиготных генотипов () в субпопуляции, как мера ее внутрипопуляционного разнообразия; доля межпопуляционного генетического разнообразия в общем разнообразии или показатель подразделенности популяций ().

На основе матрицы бинарных признаков была рассчитана матрица генетических различий, на основании которой невзвешенным парно-групповым методом UPGMA (unweighed pair-group method using arithmetic average) была построена дендрограмма, отражающая степень сходства исследуемых популяций по ISSR-спектрам при помощи компьютерных программ Treecon 1.3b. Генетическое расстояние между ценопопуляциями определяли по формуле M. Нея и В. Ли [10].

Результаты и их обсуждение

В четырех популяциях P. nigra выявлено 49 ISSR-PCR-маркеров, из которых 43 (P95=0,878) были полиморфными. Число амплифицированных ISSR-маркеров варьировало в зависимости от праймера от 12 (праймер CR-215, X10, M27) до 13 (праймер M3), а их диапазон длин от 210 до 740 пн. Установлено, что число полиморфных маркеров в общей выборке изменялось от 10 до 12, а доля полиморфных локусов (P95) в зависимости от ISSR-праймера варьировала от 0,769 до 1. Наименьшая доля полиморфных локусов (P95=0,725) отмечена в популяции Pn_4, а наибольшая (P95=0,788) – в Pn_3.

Ожидаемая гетерозиготность () в общей выборке P. nigra составила =0,221. Наибольшие значения ожидаемой гетерозиготности (=0,233) отмечены в Pn_3, а наименьшие (=0,187) – в Pn_1. Абсолютное число аллелей (na) в общей выборке равно 1,878, а эффективное число аллелей (ne) ? 1,494. Максимальный показатель (na =1,593) отмечен в популяции Pn_3, а минимальный (na = 1,550) – в Pn_1. Наибольшее значение эффективных аллелей (ne) выявлено также в популяции Pn_4 и составило 1,425, а наименьшее – в Pn_1 и оказалось равным 1,302.

Для характеристики генетического разнообразия популяций важны редкие (R), то есть встречающиеся с частотой менее 5%, маркеры. В изученных популяциях P. nigra выявлено 6 редких ISSR-маркеров, которые равномерно распределены (R=2) в популяциях Pn_1, Pn_2, Pn_4, а в Pn_3 они отсутствовали.

Все вышеперечисленные данные свидетельствуют о том, что популяция Pn_3, произрастающая вблизи г. Стерлитамак, характеризуется более высоким уровнем генетического разнообразия в сравнении с другими изученными популяциями (HE = 0,233; ne=1,425; R=2), а популяция Pn_1 («Спасская гора») – наиболее низкими показателями генетического разнообразия (HE = 0,187; ne = 1,302; R=0).

В результате молекулярно-генетического анализа популяций тополя чёрного на основании полиморфизма микросателлитных последовательностей наибольшие показатели генетического разнообразия (na = 7,667; ne = 3,948; = 0,715) были также выявлены в Pn_3, а наименьшие ? в Pn_1 (na=4,167; ne=2,585), но наименьшей ожидаемой гетерозиготностью (HE = 0,517) обладает популяция Pn_4 [3].

Анализ генетической структуры четырех популяций P. nigra показал, что общее генное разнообразие или ожидаемая доля гетерозиготных генотипов в общей выборке (HT) составило 0,291, а ожидаемая доля гетерозиготных генотипов в субпопуляции (HS) ? 0,221. Показатель подразделённости популяций () невысок и равен 0,239 (табл.). Наименьшее генетическое расстояние между исследуемыми популяциями P. nigra отмечено между Pn_2 «Бирск» и Pn_3 «Стерлитамак» (D=0,132), наиболее генетически удаленными являются популяции Pn_1 «Спасская гора» и Pn_3 «Стерлитамак» (D=0,242).

Генетическая структура и дифференциация четырех популяций P. nigra

ISSR-

праймер

Нуклеотидная

последовательность

(5'→ 3')

M3

(AC)8CT

0,266 (0,039)

0,207 (0,024)

0,222

X10

(AGC)6C

0,217 (0,035)

0,168 (0,023)

0,229

M27

(GA) 8C

0,330 (0,028)

0,254 (0,016)

0,229

CR-215

(СA)6GT

0,351 (0,012)

0,256 (0,010)

0,270

На общую выборку

0,291 (0,030)

0,221 (0,019)

0,239

Примечание: – ожидаемая доля гетерозиготных генотипов как мера общего генного разнообразия во всей популяции; – ожидаемая доля гетерозиготных генотипов в субпопуляции, как мера ее внутрипопуляционного разнообразия или среднее выборочное генное разнообразие по всем локусам; – доля межпопуляционного генетического разнообразия в общем разнообразии или показатель подразделенности популяций; в скобках даны стандартные отклонения

На дендрограмме (рисунок) популяции Pn_2 «Бирск» и Pn_3 «Стерлитамак» образуют один кластер, к ним примыкает популяция Pn_4 «Инзер», в свою очередь, Pn_1 – «Спасская гора», самая северная из изученных популяций,представлена отдельной ветвью.

Дендрограмма исправленная

UPGMA-дендрограмма по ISSR-спектрам четырех изученных популяций P. nigra,

где Pn_1 – «Спасская гора», Pn_2 ? «Бирск», Pn_3 – «Стерлитамак», Pn_4 – «Инзер»; шкала сверху – генетические дистанции по формуле M. Нея, В. Ли [10], цифрами указаны значения бутстрепа

Анализ генетической структуры и дифференциации популяций тополя чёрного на основании полиморфизма SSR-PCR-маркеров показал, что ожидаемая доля гетерозиготных генотипов в общей популяции (НT) равна 0,759, аналогичный показатель в субпопуляции (НS) составляет 0,615. Показатель подразделённости популяций (GST) равен 0,168. Следовательно, 16,8% генетического разнообразия приходится на межпопуляционную компоненту, а 83,2% - на внутрипопуляционную [3].

На основании результатов выполненного исследования для сохранения и возобновления генетических ресурсов P. nigra можно рекомендовать третью популяцию (Pn_3), произрастающую вблизи г. Стерлитамак, обладающую наиболее высокими показателями генетического разнообразия (=0,233; =1,425; R=2). При отборе деревьев для лесовосстановления необходимо учитывать их генотип, а также наличие редких ISSR-маркеров, которые наряду с другими молекулярными маркерами могут быть использованы и для идентификации популяций. Для сохранения генетического разнообразия тополя чёрного на популяционном уровне необходимо учитывать генетическую структуру популяций и уровень внутри- и межпопуляционной дифференциации. В целях сохранения генетического разнообразия популяции Pn_1 (=0,187; =1,302; R=0), расположенной в историко-природном комплексе «Спасская гора» в зоне островной Кунгурской лесостепи на Среднем Урале, а также Pn_4, произрастающей на территории Южно-Уральского заповедника в горном районе Южного Урала, необходимо соблюдение мер охраны, предусмотренных статусом ООПТ.

Заключение

В ходе исследований генетического полиморфизма популяций P. nigra с применением ISSR-метода анализа полиморфизма ДНК было установлено, что вид характеризуется высокой долей полиморфных локусов (=0,878), но средними значениями ожидаемой гетерозиготности (=0,221) и эффективного числа аллелей (=1,494). Самые высокие показатели доли полиморфных локусов (=0,788), значения эффективных аллелей (=1,425) и ожидаемой гетерозиготности (=0,233) отмечены в популяции Pn_3 в окрестностях г. Стерлитамак. А популяция Pn_1 на территории ООПТ «Спасская гора» обладает самым низким значением ожидаемой гетерозиготности (=0,187), а также эффективных аллелей (= 1,302). Низкая доля полиморфных фрагментов (=0,725) отмечена в популяции Pn_4 на территории Южно-Уральского заповедника вблизи г. Инзер. Установлено, что все изученные популяции P. nigra характеризуются средним уровнем генетической подразделенности (=0,239). На основании полученных результатов даны рекомендации по сохранению генетического разнообразия популяций P. nigra на Среднем и Южном Урале. Изучение генетической изменчивости природных популяций древесных растений может быть использовано для составления генетически обоснованных программ по сохранению, восстановлению и рациональному использованию лесных генетических ресурсов.

Работа выполнена при финансовой поддержке задания 2014/153 государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России (проект 144, № гос. рег. 01201461915).


Библиографическая ссылка

Никоношина Н.А., Мартыненко Н.А., Нечаева Ю.С., Пришнивская Я.В., Боронникова С.В. МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОПУЛЯЦИЙ POPULUS NIGRA L. НА СРЕДНЕМ И ЮЖНОМ УРАЛЕ НА ОСНОВАНИИ ПОЛИМОРФИЗМА ISSR-МАРКЕРОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2016. – № 3. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=24737 (дата обращения: 22.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074