Введение к работе
Актуальность проблемы.
В резко меняющихся условиях окружающей среды происходят значительные перемены в растительных организмах. Размах адаптивных изменений определяется генетическим разнообразием организмов. Генетическая изменчивость определяет направление микроэволюционных изменений, с которыми связана адаптация к меняющимся условиям среды, эффективность селекционных решений и отдаленные последствия антропогенных воздействий. Сохранение и воспроизводство биологического разнообразия является глобальной задачей современного мира. Одним из эффективных методов познания биоразнообразия является изучение внутривидовой изменчивости, дифференциации и популяционной структуры видов путем исследования морфологического, физиолого-биохимического и генетического полиморфизма.
Способность растений адекватно реагировать на изменения окружающей среды определятся, с одной стороны, индивидуальной реакцией, заключающейся в реализации фенотипической пластичности (норма реакции), с другой - размахом полиморфизма на популяционном уровне. Изменения последнего уже приводят к эволюционным последствиям. Поэтому изучение физиолого-биохимического полиморфизма в связи с характером и направлением микроэволюционных процессов являются актуальными задачами современной фитобиологии. В работе на примере групп разных по росту форм яблони сибирской Malus baccata (L.) Borkh изучено внутривидовое разнообразие этих растений при помощи маркеров различной природы, а также описан механизм протекающего у них микроэволюционного процесса
На территории Гусиноозерского района Республики Бурятия встречаются карликовые и высокорослые формы яблони сибирской М. baccata, которые могут расти совместно (симпатрически), однако резко отличающиеся по ряду морфологических признаков. Различия настолько существенны, что заставили некоторых исследователей полагать, что они достигают межвидового размаха. В результате таксономический статус карликовой формы яблони оставался окончательно не установленным.
К настоящему времени для решения вопросов, касающихся генетических связей различных групп родственных организмов - видов и популяций - применяется широкий спектр молекулярно-генетических методов анализа ДНК, что сделало возможным использование молекулярных признаков для решения вопросов об эволюционных связях
4 популяций и видов. Используя анализ полиморфизма длин быстро эволюционирующих микросателлитных маркеров и сравнения нуклеотидных последовательностей маркерных генов, мы провели популяционно-генетическое исследование яблони сибирской. Использование данного подхода поможет понять механизмы эволюции на протяжении относительно коротких промежутков времени.
Интересующие нас формы яблони появились недавно, приблизительно 150 лет назад. Следовательно, для анализа связанных с их появлением генетических процессов должны быть использованы быстро эволюционирующие маркеры, каковыми являются локусы, содержащие микросателлитные повторы. Скорость мутирования таких маркеров составляет от 10"6 до 10"2 нуклеотидов за поколение (Shlotterer, 2000). Необходимо отметить, что под мутацией микросателлитов обычно подразумевают не только нуклеотидные замены, а любое изменение длины повтора. С другой стороны, значимые физиолого-биохимические адаптации столь молодых форм должны затрагивать, в первую очередь, высоко лабильные механизмы, на регуляции которых существенно сказывается модификационная изменчивость, то есть изменчивость, обусловленная прямым воздействием среды. В качестве такой системы в настоящей работе исследовали изменчивость молекулярных форм пероксидазы.
В случае принадлежности карликовых и высокорослых форм к одному виду М. baccata, представляет интерес определить, насколько значимы их морфологические и физиолого-биохимические отличия, так как это может способствовать пониманию механизмов внутривидовой дифференциации.
Цели и задачи исследования. Цель настоящего исследования заключается в изучении генетической, морфологической и биохимической дифференциации карликовых и высокорослых форм яблони сибирской, произрастающих в Республике Бурятия, и установлении происхождения карликовых.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Исследовать генетический полиморфизм М. baccata по микросателлитным маркерам и внутреннему транскрибируемому спейсеру ITS 1.
-
Определить уровень морфологической изменчивости листовой пластинки карликовых и высокорослых форм яблони сибирской.
-
На примере измерений активности пероксидазы и ее множественных молекулярных форм изучить биохимические различия между карликовой и обычной формой яблони сибирской.
-
Оценить степень генетической обособленности карликовой формы М. baccata и ее филогенетические взаимоотношения с обычной формой.
Научная новизна.
Впервые с использованием морфологических признаков, физиолого-биохимических показателей и молекулярных маркеров проведен анализ полиморфизма нескольких форм яблони сибирской из различных биотопов, расположенных в Республике Бурятия. Определены уровни их фенотипических, физиолого-биохимических и генетических различий. Выявлены экологические особенности и степень адаптации различных форм, проявляющиеся в росте и биохимических реакциях растений. Показано, что для карликовых форм яблони сибирской в течение всего периода вегетации характерна более высокая, по сравнению с высокорослыми растениями этого вида, активность пероксидазы, что, вероятнее всего связано с ИУК-оксидазной функцией этого фермента. Впервые изучен состав анионных пероксидаз разных по росту форм яблони сибирской. Установлена высокая изменчивость спектра множественных молекулярных форм пероксидазы в листьях разных по росту форм яблони в течение периода вегетации. Впервые в результате проведенной работы с помощью микросателлитного анализа выяснены филогенетические отношения карликовой и высокорослой форм яблони сибирской. Установлено, что географически близко произрастающие карликовые и высокорослые растения яблони обладают высокой степенью генетической изоляции. Идентичность последовательностей внутреннего транскрибируемого спейсера ITS1 указывает на принадлежность карликовых и высокорослых растений яблони к одному виду - М baccata. Показано полифилетическое происхождение карликовых форм яблони сибирской от высокорослых. Установлено, что вид М. baccata обладает большой экологической пластичностью, а исследуемые группы являются его экологическими формами.
Яблоня полиморфна с морфологической точки зрения, а также - по характеру физиологических реакций на неблагоприятные условия окружающей среды. Растения, способные давать карликовые формы, видимо, имеют селективное преимущество по
сравнению с высокорослыми растениями, если растут в экстремальных условиях - в контактной зоне леса и степи при низкой влажности и малом плодородном слое почвы. Отмечаемый у данного вида полиморфизм может способствовать возникновению частичной репродуктивной изоляции между формами, способными к образованию карликов и формами, сохраняющими исходные свойства в результате дизруптивного отбора. Полученные результаты позволили сделать предположение о том, что возможной причиной проявления карликовости у яблони сибирской является ее адаптация к условиям среды. Различия в частотах аллелей микросателлитных локусов, обнаруженные в настоящей работе, показывают, что карликовые яблони еще не образуют замкнутой репродуктивной группы и что способность к образованию карликовой формы является прогрессивным признаком, способствующим адаптации к экстремальным условиям среды и по которому M.baccata высоко полиморфны.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследований генетического, морфологического и биохимического разнообразия карликовой и высокорослой форм яблони сибирской могут помочь в понимании процессов парапатрического видообразования, и его роли в адаптивной радиации видов, а также процессов эволюции в целом. Полученные результаты могут быть использованы в курсе лекций по физиологии, биохимии, экологии и географии растений. Полученные результаты критически необходимы для выработки стратегии природоохранных мероприятий, направленных на сохранение эндемичных редких форм яблони в Сибири.
Апробация работы. Результаты работы представлялись на Всероссийской научной конференции «Устойчивость растений к неблагоприятным факторам окружающей среды», Иркутск, 2007; на 2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Развитие физико-химической биологии и биотехнологии на современном этапе», Иркутск, 2008, на 12-ой и 13-ой Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых, на Международной конференции «Проблемы эволюции и систематики культурных растений», Санкт-Петербург, 2009 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, результатов исследования, обсуждения,
