Введение к работе
Актуальность проблемы. Семейство Злаков {Роасеае) имеет в своём составе -10 тысяч видов 600-700 родов (Цвелёв, 1976; Clayton, Renvoize, 1986; Watson, Dallwitz, 1999). Виды этого семейства являются экологическими доминантами почти на 20% суши (Shantz, 1954). Непременный элемент распространившихся в кайнозое травяных биомов, злаки стали (и остаются) одним из доминирующих факторов, определяющих эволюционную динамику экосистем (Жерихин, 1993). Уникальные пищевые качества злаков определили их место в эволюции млекопитающих и в истории человеческой цивилизации (Вавилов, 1937; Цвелёв, 1976; Зеленин, 2003; Камелин, 2005; Prasad et al., 2005; Конарев, 2007).
Злаки - один из основных объектов геномики и протеомики растений, с точки зрения кариологии и кариосистематики - трудный и интересный объект. Проблемы формирования и эволюции хромосомных наборов/геномов злаков -предмет интенсивных дискуссий. С одной стороны, кариотип и геном злаков удивительно консервативны. Результаты сравнительного картирования геномов пшеницы, кукурузы, риса, сахарного тростника и других видов злаков показали значительную консервативность набора генов и их расположения в хромосомах в течение более чем 60 млн лет радиации Роасеае (Devos, Gale, 1998). С другой стороны, хотя у большинства видов злаков основное число хромосом в кариотипе (ОЧХ, х)=7, в некоторых систематических группах ОЧХ иное: у Bambusoideae, Oryzoideae и Arundoideae чаще всего х=12, а для Eragrostideae и Panicoideae обычны х=9 и 10 (Авдулов, 1931; Hilu, 2004). Н.Н. Цвелёв (1969) считает, что ОЧХ у общего предка злаков было 7. Меньшие ОЧХ в этом случае являются производными от 7, возникшими в результате хромосомных перестроек и/или анеуплоидии. Н.Н. Цвелёв (1969) отмечает, что виды с «редуцированными» ОЧХ, как правило, имеют относительно высокую степень эволюционной продвинутости. А представители родов и некоторых триб злаков, имеющие х=9, 10, 12 и выше, предположительно, являются древними аллополиплоидами, возникшими в результате гибридизации видов с основными числами х=7, 6, 5, 4 и 2 (Цвелёв, 1969, 1972, 1975; Tzvelev, 1989).
Н.Н. Цвелёв и П.Г. Жукова (1974) описали кариотип с наименьшим для злаков ОЧХ: 2п=2х=4 у однолетника-эфемера Zingeria biebersteiniana (Aveneae). Позднее А.П. Соколовская и НС. Пробатова (1977) установили, что ещё один злак - Colpodium versicolor {Poeae) также имеет 2п=2х=4. Кариотипы на основе х=2 до настоящего времени являются уникальными случаями крайней редукции ОЧХ у растений (всего известно 6 видов растений с х=2, кроме указанных, по одному виду в семействах Hyacinthaceae и Сурегасеае и 2 вида - в Asterасеае).
Таксономическое положение двухромосомных злаков однозначно не определено. Так, Н.Н. Цвелёв и З.В. Волховских (1965) предположили, что род Zingeria родственен Colpodium sensu stricto. Однако традиционно эти два рода относили к разным трибам подсемейства Pooideae - в частности, Colpodium к подтрибе Poinae трибы Роеае (Цвелёв, 1976), a Zingeria к подтрибам Agrostidinae (Цвелёв, 1976) или Alopecurinae (Clayton, Renvoize, 1986) трибы Aveneae. Также
2 эти роды рассматривают в пределах разных подтриб трибы Poeae s.l. (Цвелёв, 1987; Tzvelev, 1989). Таким образом, возник вопрос о том, сформировался ли необычный двухромосомный геном у двух видов конвергентно в разных эволюционных линиях злаков, или данный признак появился у общего предка, давшего начало родам Zingeria и Colpodium. Это определило цели и задачи нашего исследования.
Цель и задачи исследования
Цель работы: используя методы молекулярной филогении, исследовать филогенетические отношения видов злаков, имеющих уникальный кариотип 2n=2x=4 - Zingeria biebersteiniana (триба Aveneae) и Colpodium versicolor (триба Poeae), определить степень родства и положение их на филогенетическом древе злаков, и их филогенетические отношения с другими представителями триб Aveneae и Роеае, исследовать родство двухромосомных злаков с другими представителями этих триб, у которых произошла редукция хромосомных чисел от 7 до 6 и до 5. Установить возможные линии образования кариотипов с редуцированным основным числом хромосом.
Задачи исследования:
1.Выделить, амплифицировать и секвенировать район ITS1-5.8S рРНК-ITS2 ядерных генов 45 S рРНК у двухромосомных злаков Zingeria и Colpodium и у видов, предположительно входящих в круг их родства, в частности, исследовать их родство с видами, ранее рассматриваемыми как род Colpodium sensu lato.
2.Выделить, амплифицировать и секвенировать район ITS1-5.8S рРНК-ITS2 у других представителей триб Aveneae и Роеае для которых отмечена редукция основных чисел хромосом и у видов из круга их родства с типичным для злаков х=7.
Провести сравнительный анализ этих последовательностей, частоту и спектр мутаций в районах ITS1 и ITS2 и, используя методы молекулярной филогении, реконструировать возможные филогенетические деревья, показывающие наиболее вероятные пути возникновения кариотипов с редуцированными основными хромосомными числами и место видов с редуцированным числом хромосом в геноме на филогенетическом древе Aveneae и Роеае.
Изучить закономерности накопления мутаций в эволюционно консервативном гене 5.8S рРНК в ходе дивергенции видов, относящихся к трибам Aveneae и Роеае, и найти синапоморфные замены, которые характерные для отдельных ветвей филогенетического древа.
Научная новизна и практическая значимость работы. В ходе
исследований был секвенирован район ITSl-5.8SpPHK-ITS2 ядерного гена 45S рРНК у более чем 50-и видов и подвидов Pooideae, относящихся к родам Agrostis, Arctagrostis, Anthoxanthum, Avena, Avenula, Briza, Calamagrostis, Catabrosa, Catabrosella, Colpodium, Glyceria, Helictotrichon, Hierochloe, Hyalopoa, Melica, Paracolpodium, Phalaris, Phippsia, Poa, Sesleria, Triticum, Vahlodea, Zingeria, как правило, впервые для исследуемого вида и для рода. В частности, из представителей рода Colpodium sensu lato нами впервые секвенированы ITS-последовательности Catabrosa aquatica, С. capusii, Catabrosella araratica,
з С. subornata, С. variegata, Hyalopoa lanatiflora, H. pontica, Paracolpodium altaicum и Phippsia concinna. В работе с помощью методов сравнительного анализа районов ITS впервые показано, что двухромосомные злаки Zingeria и Colpodium представляют собой два близких рода, генетическое расстояние (p-distance) между относительно быстро эволюционирующими ITS которых составляет всего 3.1-4.4%. Впервые выполненное сравнительное исследование ITS видов Colpodium sensu lato показало, что типовой вид Colpodium versicolor, как и предполагал Н.Н. Цвелёв (1964), относительно далеко отстоит от до сих пор включаемых некоторыми исследователями в род Colpodium (Watson, Dallwitz, 1992-2008 и др.) видов Catabrosella subornata, С. variegata, Paracolpodium altaicum, Hyalopoa lanatiflora, H. pontica. Впервые показано, что из видов с типичным для злаков основным числом хромосом 7 ближе всего к Colpodium и Zingeria находится вид Catabrosella araratica, далеко отстоящий от других видов оказавшегося полифилетическим рода Catabrosella. Впервые с помощью молекулярно-филогенетического подхода показано, что редукция числа хромосом у представителей рода Catabrosa (х=5), Catabrosella (х=5), Anthoxanthum (х=5), у видов Trisetum flavescens (х=6), Phalaris truncata и Ph. canariensis (x=6), Briza minor (x=5), произошла независимо от редукции хромосом у Zingeria и Colpodium, причём у Briza minor, по-видимому, уже после дивергенции от В. elatior и В. marcowiczii (у обоих - 2п=2х=14, х=7). Впервые у двух родственных видов клады ВЕР Catabrosa aquatica и Hyalopoa lanatiflora найдена транзиция «С-^Т» в положении №102 эволюционно консервативного гена 5.8S рРНК, которую можно рассматривать как синапоморфию для этих видов, и как гомоплазию при сравнении всех представителей клад ВЕР и PACCAD.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на XI Делегатском съезде Русского ботанического общества (Новосибирск-Барнаул, 2003), IV Научно-практической Конференции «Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии» (Барнаул, 2005), XVII Международном Ботаническом Конгрессе (Вена, Австрия, 2005), V Международном Совещании по кариологии, кариосистематике и молекулярной филогении (Санкт-Петербург, 2005), X Ассамблее молодых учёных и специалистов (Санкт-Петербург, 2005), VIII и 1(1Х) Конференциях молодных ботаников в Санкт-Петербурге (2004, 2006), Конференции по систематике и морфологии растений, посвященной 300-летию со дня рождения К. Линнея (Москва, 2007), в Медицинском Центре Университета Небраски (Омаха, США, 2007), Конференции «Вычислительная филогенетика и геносистематика - ВФГС» (Москва, 2007), XV Всероссийской молодёжной научной Конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 214 страницах и состоит из введения, трёх глав, выводов и списка литературы из 372 источников, в том числе 276 - на английском языке, и приложения. Диссертация иллюстрирована 27 рисунками и 20 таблицами.
