Популяционно-ботаническая характеристика осинников Южного Урала Юмагужина Наиля Сахаувна

Краткая характеристика природных условий региона и района исследований

Появились работы, в которых приводится описание изоферментов и для рода Populus L. Например, для P.alba из Испании проанализирована изменчивость 8 ферментов, контролируемых 18 локусами. Двенадцать из них были полиморфными, выявлено 33 аллеля (среднее число аллелей на локус 1.83). Наследование этих ферментов исследовалось при помощи контролируемых скрещиваний. Более обширная аналогичная работа проведена Мюллер-Штарком (Muller-Stark, 1992) для целой секции тополей и их гибридов, для P. tremula, P. tremuloides и их гибридов (Gallo, Geburek, 1991). У P. tremuloides, кроме изучения генетического контроля изоферментов, определена картина сцепления аллозимных локусов (Hyin et al., 1987). Механизмы наследования изоферментов выявлены и для Populus deltoides Bartr. (Malvolti et al., 1991). Предложены маркеры для дифференциации P.deltoides, P.nigra, P.maximoviczii, P.canescens, P.deltoides и их межвидовых гибридов с целью решения таксономических вопросов (Rajora, Zsuffa, 1989; Rajora, 1990а; Rajora, 1990b; Rajora, Dancik, 1992a; Rajora, Dancik, 1992b).

К сожалению, как показал обзор литературы, для Populus tremula мало сведений о ее популяционной структуре, полученных с использованием молекулярно-генетических или биохимических маркеров. Одни из первых таких работ в этой области посвящены электрофоретической идентификации клонов (Bergmann, 1981, 1987; Cheliak, Pitel, 1984). Дано генетическое определение клона - группы особей, имеющих общее генетическое происхождение и идентичных по всем генам, исключая соматические мутации. Обоснованы преимущества электрофоретических методов для идентификации клонов - известно, что использование морфологических признаков, половой принадлежности, фенологии, уровня плоидности (Blake, 1963; Barnes, 1969) тополей не дают достаточно точных сведений. Связано это с тем, что в фенотипе ощущается значительное (но неизвестное) влияние среды, внешние различия между особями разных клонов могут быть несущественными. Точность определения генотипа разных клонов зависит лишь от числа анализируемых аллелей и локусов - при их достаточном числе не представляет труда составить уникальный генетический портрет любого клона, выявить уровни генетической изменчивости видов тополей, изучить их генетическую структуру в насаждениях. Кроме электрофореза ферментов, эту возможность дают и технологии изучения последовательности ДНК (Chong et al., 1994; Yeh et al., 1995; Suvanto, 2002). Генетическое разнообразие осины детально исследовано в комплексе исследований других видов тополей (Culot, et al., 1995). Easton, E.P. (1997). Наиболее обширные исследования генетического разнообразия вида и сохранения его генофонда проведено в рамках выполнения двух диссертационных работ в Англии (Muir, 1996; Easton, 1997).

Немногочисленность молекулярно-генетических данных по изменчивости осины затрудняет решение как фундаментальных, так и практических проблем сохранения генофонда вида, и одновременно обуславливает актуальность проведения соответствующих популяционных исследований осины. Поэтому обратимся к наиболее полным данным, полученным для близкого вида из Северной Америки - P. tremuloides и P.nigra из Европы.

В работе (Cheliak, Pitel, 1984) 10 предполагаемых клонов были изучены для выявления различий по морфологии листьев, фенологии, полу, форме ствола, цвету коры, темпам роста и изоферментам 16 локусов. Получены доказательства, что выделение клонов по всем параметрам, кроме изоферментов, носят субъективный характер и дают неточные результаты (например, фенотипически однородные особи одного «клона» проявляли генетическую гетерогенность). С другой стороны, показана возможность безошибочного определения клонов при помощи электрофоретического анализа.

В Канаде (Hyun et al., 1987) исследована изменчивость и дифференциация P. tremuloides по 15 локусам в пределах трансект север юг и восток-запад региона Онтарио с использованием 200 клонов (по 10 на одно насаждение). Выявлен большой запас генетической изменчивости вида (79.2 % локусов были полиморфны в среднем на одно насаждение, в одном локусе в среднем было 2.7 аллелей, ожидаемая гетерозиготность составила 0.235). Одни и те же аллели были общими во всех насаждениях, но различия в частотах были довольно значительными. За счет этого по 10 локусам выявлена статистически достоверная гетерогенность аллельных частот. Хотя межпопуляционная подразд елейность составила относительно умеренную величину 6.8 %, по отдельным локусам генетическое расстояние Нея доходило до 0.137 (среднее значение D = 0.103). Полученные результаты в целом соответствовали данным, полученным ранее для этого же вида (Cheliak, Dancik, 1982). Установлено, что в пределах рамет различия в темпах прироста по диаметру небольшие (Mitton, Grant, 1980) и составляют только 14 % вариансы из-за микрогеографических различий в почве, доступности воды и света, 33 % - из-за половых различий. В целом негенетическая компонента вариансы не превышала 33 %. Деревья с большей гетерозиготностью росли быстрее на 35%.

Обширные генетические исследования Populus tremuloides (Mitton, Grant, 1980) позволили обнаружить следующие закономерности. У 98 клонов была изучена связь возраста, высоты расположения над уровнем моря, темпов роста с выявляемыми при помощи изоферментов генотипами. Исследователи обнаружили, что пространственное распределение деревьев и клонов разного пола неоднородно. Мужские особи чаще встречались на большей высоте над уровнем моря, в то время как женские особи встречались в основном в понижениях с влажным режимом. В целом, соотношение полов было близко 1:1. Обнаружены генетические различия клонов разного пола по всем трем использованным полиморфным локусам (различия доходили до статистически достоверного уровня).

Электрофоретические методы исследований

Пробная площадь (размер - 103 х 149 м) на урочище "Кушелга-баш" расположена в природном заповеднике "Шульган-Таш" в четырех километрах севернее деревни Гадельгареево (кв. 36, выдел 39, пробная площадь Ос-8). Состав 90С1Б ед.С, возраст осины 80 лет. Средняя часть северо-западного склона (уклон 10). Рельеф возвышенный холмистый. Анализ микрорельефа показывает неровности в пределах 10 см: следы роющей деятельности грызунов, следы медведей и крупного рогатого скота. Почва темная серая лесная средней мощности. Насаждение относительно здоровое. В подросте редко вяз шершавый (высота 1 - 3 м) и клен остролистный (0.5 - 1.2 м). Подлесок составляют черемуха обыкновенная и рябина, достигающие максимальной высоты 10 и 6 м, соответственно. Сомкнутость полога подлеска от 0.1 до 0.4, в зависимости от части пробной площади. Максимальная высота растений достигает 300, 230 и 300 см соответственно на каждой описанной площадке. Проективное покрытие в среднем составляет 95%. Редкими в данном насаждении являются растения Campanula latifolia, Crepis sibirica и Valeriana officinalis.

Насаждение урочища "Ягылбай" (пробная площадь ) находится к северо-востоку от деревни Гадельгареево на склоне юго-западной экспозиции, с уклоном 5. Размер пробной площади (обозначена Ос-4): 3300 м2. Первый ярус древостоя представлен сосной обыкновенной. Во втором ярусе произрастает береза повислая. Осина образует третий ярус, Средняя высота на площади 6.2 м. Имеется подрост осины высотой 30-60 см. Рельеф выровненный. Поверхностная горная порода - щебенистая. Почвы горно-лесные серые малоразвитые. Осинник злаково-разнотравный. По данным лесоустроительных организаций, заражен трутовиком на 50 %. Насаждение ослабленное. Подлесок неразвит из-за недостатка света.

Изредка встречается роза майская (высотой 10-80 см). Редкие виды: Campanula trachelium, Cynoglossum officinale, Myosotis sparsiflora, Phlomis tuberosa, Potentilla erecta, Ranunculus acris и др. Среднее проективное покрытие 45%, максимальная высота почвенного покрова 180 см. Подлесок неразвит из-за недостатка света. Следующее насаждение (пробная площадь Ос-6, размер - 1.8 га) находится в двух километрах от села Старо-Субхангулово (Бетеринское лесничество Бурзянского лесхоза, кв. 88), занимает плато и склон южной экспозиции перед ручьем с уклоном 5-Ю градусов. Состав 40сЗБ1Д2С, возраст осины 100 лет. Рельеф неровный, местами видны следы добычи гравия. Перепады высот до 2 м. Поверхностная горная порода - щебень. Почвы горно-лесные серые малоразвитые. Насаждение относительно здоровое. Подроста практически нет. В подлеске черемуха (высотой в среднем 8 м) и рябина (5 м). Степень проективного покрытия напочвенного покрова в среднем составляет 50%. Максимальная высота Ф напочвенного покрова в трех описаниях составила 220, 180 и 80 см соответственно. Редкими являются Artemisia absinthium, Artemisia vulgaris, Campanula trachelium, Carduus acanthoides, Galeopsis bifida. Пробная площадь Oc-5 заложена на небольшом участке осинника в окружении кленово-липовых насаждений вдоль дороги на границе Бурзянского и Кугарчинского районов. Возраст около 40 лет, состав 10 Ос. Описание насаждения не проводилось, пробная площадь использована лишь для отбора образцов для электрофоретических анализов. Для этих же целей в районе с. Иргизлы Бурзянского района была подобрана ,ф изолированная куртина осинника примерно такого же возраста и насчитывающая 12 деревьев (пробная площадь Ос-1). Одна пробная площадь (Ос-9), где исследовались генотипы подроста и деревьев репродуктивного возраста, заложена на территории Челябинской области. Был подобран участок семенного возобновления наобнажении почвы с щебенистым грунтом, с одной стороны ограниченной "стеной" осинника, с другой - вырубкой. При этом ставилась цель изучения пространственного распределения генотипов и роль генетической структуры близлежащих материнских насаждений в формировании генотипической структуры сеянцев в двумерном пространстве. Как порода-пионер, осина за счет способности к распространению пыльцы и семян на дальние расстояния теоретически может формировать состав генотипов самосева таким образом, что в ограниченном участке в новом поколении представлен весь генофонд части популяции, окружающей участок. С другой стороны, теоретически в составе материнского насаждения доля отдельных клонов можетразличаться в значительной степени. Удельный вес отдельных клонов в формировании генотипического состава семенного подроста может сильно различаться и генетическая изменчивость подроста в этом случае на ограниченной площади может быть пространственно структурированной. Для сравнения генетического разнообразия осины из Башкортостана {+) и Челябинской области сбор материала на территории второго региона был осуществлен маршрутным способом на трассе Уфа-Челябинск. При этом на отрезке от границы двух регионов до г. Аша были взяты образцы от одного дерева на одно насаждение. Общий объем выборки составил 32 образца. Электрофоретические методы включают: 1) подготовку образцов к разделению; , 2) собственно разделение биологических макромолекул в электролите под воздействием электрического поля на основе различий их в заряде, молекулярной массе и пространственной структуре; 3) гистохимическое выявление разделенных молекул; 4) интерпретацию и анализ зимограмм; 5) статистическую обработку результатов. Лабораторные исследования проводили методом электрофореза ферментов из экстрактов тканей вегетативных почек. Для экстракции ферментов использован экстрагирующий буфер: 0.1 М трис-HCI с рН 8.0, содержащий 17 % сахарозы (для обеспечения вязкости среды), 0.1 % 2-меркаптоэтанола и 0.1 % цистеина, (для предотвращения образования S-S мостиков), 0.5 % БСА (для уменьшения неспецифической сорбции изоферментов в гелях), 0.05 % диэтилдитиокарбамата натрия (для ингибирования полифенолоксидазы), 1 % твин-80 (для увеличения полноты экстракции изоферментов). Навеску почек в 200 мг растирали до получения однородной массы в ( ) ступке, добавив десятикратное количество охлажденного экстрагирующего буфера и равное количество нерастворимого поливинилпирролидона для связывания полифенолов. Далее жидкую часть полученной массы переносили в пробирку «эппендорф». После экстракции, встряхивания гомогенат центрифугировали в течение 20 (ф минут при 15-17 тыс. об/мин при температуре -10 С на центрифуге К 24D. Супернатант использовали для электрофореза непосредственно после этих манипуляций.

Генетическое разнообразие и морфологическая изменчивость насаждений осины

Анализ литературы показывает о существовании локальной генетической дифференциации сосны обыкновенной, вызванной также гетерогенностью экологических условий, ограничением обмена генов вследствие фенологической изоляции (Стрельцова и др., 1991).

Во фрагментированном насаждении ели сибирской построенная на основе средних по локусу генетических расстояний Грегориуса дистограмма показывает, что сходство деревьев до класса дистанции 70 м статистически значимо уменьшается. Анализ аллельной структуры четырех фрагментов пробной площади уральского дуба черешчатого показывает, что имеются довольно большие различия по частотам и представленности аллелей. Из 12 изученных локусов популяции из Германии существование автокорреляции показано на примере половины из них. В локусах Fe-І и б-Pgdh-l автокорреляциявыявлялась в 4 классах дистанции и на высоких уровнях значимости. В остальных локусах (Dia-І, Аар-2, Аар-1) существование структурированности генетической изменчивости обнаруживается, как правило, на небольших (0-10 или 0-20 м) классах дистанции. В локусе Fe-2 индекс Морана выходил за пределы 95 %-ного доверительного интервала в 1 пределах 0-30 м. Такая структурированность имеет место как для аллелей с низкой (например, для двух аллелей 1 локуса Fe-2), так с высокой (78 аллелей 3 локуса Аар-2) численностью. Аналогичные данные получены и другими авторами. Была исследована внутрипопуляционная структура смешанного насаждения Quercus petraea (Matt.) и Q.robur (Bacilieri et al., 1994). Установлено неслучайное пространственное распределение деревьев, принадлежащих к различным фенологическим формам по срокам цветения. Распределение этих деревьев в насаждении совпадает с выявленной неслучайной пространственной структурированностью генотипов по аллозимным данным. Авторы проанализировали действие факторов, которые могли привести к образованию семейной генетической структуры насаждения. Частично существование автокорреляции объясняется инбридингом в пределах субпопуляций (по большинству локусов значения FjS были положительными), хотя не все локусы с пространственно структурированными аллелями показывали высокий уровень инбридинга. Положительный коэффициент инбридинга свидетельствует об отборе против гетерозигот, которые могут частично включать относительно менее жизнеспособные гибриды Q. petraea и Q.robur. Возможно, в способности тех или иных локусов показать автокорреляцию аллелей свою роль сыграли и стохастические факторы. Еще одним фактором может служить индивидуальная чувствительность отдельных локусов (ферменты которых могут участвовать в первичном или вторичном метаболизме) к {щ воздействию отбора. Различия субпопуляций по частотам аллелей могут возникнуть также из-за эффекта Вуланда. Семейная структура, кроме г0 этого, может быть образована, если вклад отдельных деревьев в образование потомства неодинаков, а распределение семян и пыльцы ограничено). По литературным данным (Yacine, Lumaret, 1988; Schwartzmann, 1991) известно о почти полной самостерильности дубов. Поэтому маловероятно, чтобы самоопыление было ответственным за 1 семейную кластеризацию в насаждениях. Что касается фенологической изменчивости в насаждениях, известно (Sharp, Chisman, 1961; Rushton, 1977; Du Merle, 1988; Lumaret et al., 1991), что синхронность в цветении отсутствует и до 30 % деревьев подвержены межгодовой изменчивости по этому признаку. Несмотря на теоретические вычисления, показывающие о потенциально дальних рассттояниях распространения пыльцы дуба, известно, что в реальных условиях расстояние сильно уменьшается в высокополнотных насаждениях и при густой облиственности древостоя (Tauber, 1977). Изучению дальности распространения семян дуба ) посвящено намного больше работ (см: Dicousso et al., 1993). Тяжелые желуди дуба падают в пределах небольшого радиуса от материнского дерева и, видимо, этот фактор вносит основной вклад в образование семейной генетической структуры в древостоях. Таким образом, литературный анализ показывают, что выявленная семейная генетическая т/ структура в насаждениях дуба может объясняться комплексом факторов биологией и экологией размножения, дрейфом генов, отбором, эффектом основателя, ассортативным скрещиванием и эффектом Вуланда. У клена остролистного также выявлена неслучайная _ пространственная структурированность генотипов в пределах отдельных насаждений (Янбаев и др., 2000). Автокорреляционный анализ показал, что с увеличением дистанции между деревьями генетическое расстояние Грегориуса статистически значимо возрастало, а величина значений индекса Морана достоверно уменьшалось, а затем увеличивалось. Ранее (ф) (Янбаев и др., 1999) на территории этого же лесхоза в одном насаждении были выделены две крайние фенологические формы. Эти две выборки 1 $ значительно отличались по представленности и частоте аллелей. Полиморфные в большинстве исследованных нами выборках клена остролистного локусы Dial и Аарі у позднераспускающейся формы были полностью мономорфны. Генетические расстояния Нея между ними были больше, чем у пространственно разделенных фрагментов насаждения.

Межрегиональные различия генетического разнообразия осины

В еще одной работе (Legionnet, Lefevre, 1996) изучены генетические различия другого вида Populus - осокоря. Установлено, что популяции " разных регионов Европы довольно четко различаются по представленности тех или иных аллелей, вплоть до инверсии частот общих морф. Наибольшее число редких аллелей обнаружено в горной части исследованной территории (Альпы). Вследствие этих закономерностей различия частот аллелей s статистически были достоверны. Между насаждениями существовали большие различия по индексу генного разнообразия Нея (в интервале Н = 0.115 - 0.204). Соответствие генетических и географических дистанций между выборками не обнаружено. Хотя межпопуляционная подразделенность между всеми выборками выражена слабо (Gs( = 0.017), между отдельными парами значение параметра доходило до Gs( = 0.035. У Populus nigra из Башкортостана (см. нашу монографию: Янбаев и др., 2000) более половины локусов (10 из 18) были полностью мономорфны. Из полиморфных локусов только два (Aat-З, Аар-3) имели по 3 аллеля. У всех полиморфных локусов преобладал один частый (0.778 - 0.993) и 1-2 редких аллелей. Выборки различались по полиморфности - в небольшом по площади насаждении лишь один локус был изменчивым, в то время как на большой по объему популяции в заповеднике «Шульган-Таш» обнаружены 8 полиморфных локусов. Это же заключение можно вывести при анализе наблюдаемой гетерозиготности. В среднем по полиморфным локусам гетерозиготность первой выборки была в 2.4 раза меньше (Не = 0.122 против Не = 0.051). Несмотря на относительно небольшие величины генетического расстояния Нея (в среднем D = 0.005) и коэффициента межвыборочной подразделенности (Fst = 0.032), по трем локусам (Aat-З, Аар-1, Аар-2) различия частот были статистически достоверны при использовании критерия х2. У них же. параметр Fst был значительно выше, чем у остальных пяти полиморфных локусов (Fst = 0.001 - 0.014). Несмотря на некоторое снижение параметров генетического разнообразия в выборке "Шульган-Таш" при использовании критерия полиморфности, вывод о ее большем полиморфизме не изменился. В целом, как вид Populus nigra, в отличие от изученной нами осины, обладает слабым уровнем генетической изменчивости (среднее число аллелей на локус А = 1.6, доля полиморфных локусов Р = 0.44, наблюдаемая гетерозиготность Не = 0.051). Таким образом, полученные нами данные свидетельствуют об определенной общности генофонда осины из разных регионов, но имеется тенденция к различиям в уровне генетической изменчивости групп клонов и существуют значительные различия в частоте аллелей (по причине различий в составе клонов) и изменчивости отдельных локусов. В отличие от других видов и популяций рода Populus, изученные нами группы насаждений осины более дифференцированы. Обзор литературных данных по теме исследования показал, что в настоящее время сохранение биоразнообразия и генофонда популяций относится к числу наиболее актуальных и часто обсуждаемых в различных форумах проблем, является предметом исследований во многих научных учреждениях. Связано это с тем, что биоразнообразие живых организмов обуславливает потенциал для адаптации к нестабильным условиям среды - чем оно выше, тем больше у популяций шансов для выживания. Важным является изучение общих, а не специфических, механизмов адаптации, особенно для древесных видов с их длительным циклом жизни, наиболее важные характеристики которых (численность, продуктивность, своеобразие, взаимодействие, воспроизводство и др.) сложились в течение длительного времени при взаимодействии различных микроэволюционных и экологическихфакторов. На территории бывшего СССР осина являлась объектом обширных исследований ее формового разнообразия. Значительное число работ посвящено изучению форм осины (по цвету и форме коры, фенологическим признакам и др.), анализу их взаимосвязи с хозяйственно ценными признаками - устойчивости к гнили, продуктивностью и т.д. Аналогичные исследования изменчивости признаков осины, хотя и в меньших масштабах, проведены и за рубежом. Однако имеются существенные противоречия по числу выделяемых форм в зависимости от региона исследований и авторов, по выявленной связи форм с различными хозяйственно-полезными признаками. Это привело к не закрытым до сих пор дискуссиям о роли генетических и средовых факторов в обусловленности формового разнообразия. По нашему мнению, основной причиной выявленного противоречия является то, что в подавляющем большинстве этих работ единицей исследования являлась морфологическая форма, а не клон. Между тем, генетически обусловленная устойчивость к заболеваниям и другие признаки должны быть связаны с генотипом, а не только формой. В пределах каждого из форм имеется огромное число клонов с уникальными генотипами и разной выраженностью хозяйственно-полезных признаков. Поэтому прогресс в этой области потенциально связан с новыми молекулярно-генетическими методами, позволяющими с высокой точностью идентифицировать отдельные клоны и в комбинации с традиционными методами изучать проблему на новом уровне. Однако, к сожалению, осина является одним из наименее изученных видов в плане изучения ее генетического разнообразия и разработке мер по сохранению генофонда. Данная проблема требует своего решения, является актуальной с теоретической и прикладной точек зрения, обладает значительной научной новизной. По результатам литературного анализа установлено, что такой подход был оправдан при изучении ряда других видов древесных растений.

Похожие диссертации на Популяционно-ботаническая характеристика осинников Южного Урала

Количественная характеристика мезофилла листа растений Среднего УралаИванова Лариса Анатольевна

Фенотипическая и генотипическая характеристика комплекса Delphinium Aggr. Elatum L. на Южном УралеКанчурин Мурат Набиуллович

Эколого-фитоценотическая характеристика, биологические особенности и интродукция видов семейства Crassulaceae DC. на Южном УралеЛебедева Мария Владимировна

Эколого-биологическая характеристика, химический состав и интродукция Adenophora lilifolia (L.) A. DC. на Южном УралеАндреева Ирина Закиевна

Особенности биологии, ценопопуляционные характеристики, тактики и стратегии выживания некоторых редких видов семейств Liliaceae и Iridaceae на Южном УралеМуллабаева Эльвира Зубаировна

Сравнительная эколого-физиологическая характеристика представителей гирудофауны Среднего Урала Черная Людмила Владимировна

Эколого-фаунистическая характеристика рукокрылых (Mammalia, Chiroptera) Южного Урала и сопредельных территорийКурмаева Наиля Мухамметшановна

Фаунистическая и эколого-биологическая характеристика чешуекрылых (Lepidoptera) горной зоны Южного УралаТрофимова Татьяна Александровна

Сравнительная характеристика и оценка фиторазнообразия заповедных территорий УралаДемченко Алексей Александрович

Эколого-морфологическая характеристика врановых птиц степной зоны Южного УралаРепин, Денис Владимирович