Генетическая изменчивость, дифференциация и таксономические взаимоотношения у лиственниц сибирской, Сукачёва и даурской

Генетическая изменчивость, дифференциация и таксономические взаимоотношения у лиственниц сибирской, Сукачёва и даурской

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет

им. Ф. Скорины»

биологический факультет

Генетическая изменчивость, дифференциация и таксономические

взаимоотношения у лиственниц сибирской, Сукачёва и даурской

Курсовая работа

Исполнитель:

Студентка группы К-42 ____________

Лягушова А.Ю.

Научный руководитель:

Загрушевская Т.Е.

Гомель 2005

Содержание

Введение

1 Материалы и методы исследования

2 Результаты и их обсуждение

Заключение

литература

Введение

Лиственницы являются одними из главных структурных компонентов светлохвойной тайги. Площадь их лесов на постсоветском пространстве составляет 45% в структуре хвойных насаждений. Благодаря быстрому росту, высокой продуктивности (свыше 1000 м3 с га) (Пугач, 1985) лиственницы способны существенно повышать продуктивность лесов и поэтому широко внедряются в лесные культуры, в том числе и на территории республики Беларусь. Качество и продуктивность создаваемых лиственничных насаждений напрямую зависит от генофонда используемого семенного и посадочного материала. Поэтому, вопрос о том, генофонд какого вида наиболее успешно можно использовать для создания лиственничных культур, приобретает особую актуальность.

В настоящее время род Larix объединяет более двадцати различных видов (Козубов, Муратова, 1986). Считается, что наибольше видовое разнообразие лиственниц сосредоточено в сибирско-дальневосточном регионе Палеарктики (Дылис, 1961; Бобров, 1978). Несмотря на то, что в последние годы в различных лабораториях были проведены интенсивные генетические исследования лиственниц Палеарктики с использованием изоферментов и фрагментов ДНК (Mejnartowicz, Bergmann, 1975; Paule, Gцmцry 1995; Тимерьянов и др., 1986; Потенко, Разумов, 1996; Гончаренко, Силин, 1997; Lewandowski, 1997; Semerikov et al., 2003; Гончаренко, Шевцова, 2004; Ларионова и др. 2004; Козыренко и др. 2004), ряд вопросов касающихся уровня генетической изменчивости, дифференциации и генетико-таксономических взаимоотношений для видов этого региона не решены окончательно.

Целью нашей работы было на основании 20 изоферментных генов определить уровень генетической изменчивости и дифференциации трех видов - лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.), лиственницы Сукачева (L. sukaczewii Dyl.) и лиственницы даурской (L. dahurica Turcz.=L. gmelinii Rupr.) - и уточнить их генетико-таксономический статус.

1. Материалы и методы исследования

При исследовании генетической изменчивости и таксономических взаимоотношений у трёх видов лиственниц Палеарктики нами был использован материал 160 деревьев из двух природных популяций лиственницы сибирской, одной популяций лиственницы даурской и одной популяции лиственницы Сукачева. Две исследованные природные популяции лиственницы сибирской расположены на территории Западной Сибири. Одна из них находится в смешанном горном лесном массиве Алтая, а другая в лиственничнике Западно-сибирской низменности, к северу от г. Томска. Проанализированная популяция так называемой лиственницы Сукачева представляет собой природное насаждение, расположенное на территории Центрального Урала. Семенной материал лиственницы даурской был собран с деревьев, произрастающих в лиственничнике недалеко от г. Хабаровска.

В качестве экспериментального материала при электрофоретическом фракционировании служили ткани гаплоидных эндоспермов и диплоидных зародышей. Для определения генотипа каждого дерева проводился анализ 10-20 эндоспермов, которые выбирались случайно из набора семян, полученного как минимум из пяти шишек, собранных из различных частей кроны дерева. Так как вероятность ошибочного отнесения гетерозиготных деревьев к гомозиготным рассчитывается из соотношения Р = 0.5 n-1 (где n - количество проанализированных эндоспермов), то даже при анализе 8 эндоспермов ошибка составляет менее 1%.

Электрофоретический анализ проводили в горизонтальных камерах в 13-14% крахмальном геле по методам, подробно описанным нами ранее (Гончаренко и др. 1989). Электрофорез проводили в трёх буферных системах: А - Трис - ЭДТА- боратная, рН 8,6; В - Трис-цитрат, рН 6,2 / Трис-НСl, рН 8,0; С - Трис-цитратная, рН 6,2. Название ферментов, кодовый номер согласно изданию “Номенклатура ферментов” (1979), предпочитаемая для анализа буферная система, а также количество используемых локусов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Ферменты, их кодовый номер, буферные системы и количество локусов, использованные для анализа популяций лиственницы сибирской, лиственницы Сукачева и лиственницы даурской.

Фермент	Аббревиатура	Кодовый номер	Буферная система	Количество локусов
Аконитаза	АСО	4.2.1.3.	C	1
Аспартатаминотрансфераза	ААТ	2.6.1.1.	А	3
Глутаматдегидрогеназа	GDH	1.4.1.2.	A	1
Глюкозофосфатизомераза	GPI	5.3.1.9.	С	1
Изоцитратдегидрогеназа	IDH	1.1.1.42.	B	1
Лейцинаминопептидаза	LAP	3.4.11.1.	B	2
Малатдегидрогеназа	MDH	1.1.1.37.	C	4
Фосфоглюкомутаза	PGM	2.7.5.1.	A	2
Флюоресцентная эстераза	FL-EST	3.1.1.2.	B	1
6-фосфоглюконатдегидрогеназа	PGD	1.1.1.44.	C	2
Сорбитолдегидрогеназа	SDH	1.1.1.14.	A	1
Шикиматдегидрогеназа	SKDH	1.1.1.25.	B	1

Определение уровня генетической изменчивости проводили на основе ряда общепринятых показателей: среднее число аллелей на локус (А), полиморфность (Р) и ожидаемая гетерозиготность (Не). Для расчета ожидаемой гетерозиготности Не по каждому локусу использовали формулу

,

где хi - частота i-того аллеля. Показатель средней ожидаемой гетерозиготности вычислялся как

,

где Hj - гетерозиготность j-того локуса, К- количество исследованных локусов. Показатель полиморфности (Р) рассчитывали путем деления числа полиморфных локусов на общее количество исследованных локусов, а параметр среднего числа аллелей на локус (А) путем деления количества выявленных аллелей на общее количество исследованных локусов. Полиморфность подсчитывалась по 99% критерию (частота наиболее общего аллеля не превышала 99%), а среднее число аллелей на локус по всем обнаруженным.

Для оценки генетической дифференциации среди таксонов лиственниц использовался коэффициент генетической дистанции Неи (DN), который учитывает различия в аллельных частотах всех проанализированных локусов:

DN= - ln IN ,

где xij и yij -- частоты i-го аллеля j-го локуса сравниваемых таксонов. Если DN равно 0, то таксоны идентичны. Чем больше значение DN, тем менее они родственны.

Считается, что коэффициент дистанции Неи самый точный, и поэтому он используется практически всеми исследователями. Дендрограмма наглядно демонстрирующая общую картину генетических взаимоотношений между исследованными таксонами на основании полученных коэффициентов DN строились методом невзвешенного парно-группового кластерного анализа (UPGMA) (Sneath, Sokal 1973).

2. Результаты и их обсуждение

В ходе электрофоретического анализа 12 ферментных систем у трех лиственниц нами было обнаружено 62 различных электрофоретических варианта. Наглядное изображение электрофоретических спектров малатдегидрогеназы и глюкозофосфатизомеразы исследованных видов с выявленными электрофоретическими вариантами приведено на рис. 1, 2. Проведенный генетический анализ показал, что все обнаруженные нами электрофоретические варианты кодируются 62 аллелями 20 локусов (Гончаренко, Шевцова, 2004). Все эти аллельные варианты и их относительная электрофоретическая подвижность наглядно изображены на рис. 3. Обозначение аллелей дано по общепринятой номенклатуре Пракаша (Prakash et al., 1969).

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 генетического родства в различных таксонах лиственниц и, тем самым, позволяет решать как различные вопросы генетической изменчивости, так и сложные вопросы систематики и 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, 29 у L. sukaczewii и 48 у L. 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 другой можно 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.

Страницы: 1, 2