Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Наследственная биохимическая изменчивость хвойных лесообразующих видов 12
1.1. Изоферментные молекулярно-генетические маркеры растений 12
1.2. Внутривидовое разнообразие хвойных древесных растений на основе изоферментных генетических маркеров 17
1.3. Внутривидовая генетическая дифференциация хвойных видов 44
1.4. Изоферментные генетические маркеры в изучении филогении и систематики растений 51
Глава 2. Объекты, материалы и методы исследований 59
2.1. Краткая характеристика района исследований 59
2.2. Объекты исследований 66
2.3. Методика исследований 89
Глава 3. Генетический контроль и изменчивость ферментных систем видов семейства Pinaceae 98
Глава 4. Внутривидовая изменчивость и популяционная структура сосны обыкновенной 118
4.1. Аллельное разнообразие сосны обыкновенной 118
4.2. Внутривидовая изменчивость сосны обыкновенной 123
4.3. Внутривидовая дифференциация сосны обыкновенной 135
Глава 5. Внутривидовая изменчивость и популяционная структура лиственницы Сукачева на Урале 153
5.1. Аллельное разнообразие лиственницы Сукачева на Урале 153
5.2. Внутривидовая дифференциация лиственницы Сукачева на Урале 155
5.3. Внутривидовая изменчивость лиственницы Сукачева на Урале 172
Глава 6. Внутривидовая изменчивость и дифференциация ели сибирской на Южном Урале и в Приуралье 183
6.1. Аллельное разнообразие популяций ели сибирской 183
6.2. Внутривидовая дифференциация и популяционная структура ели сибирской 187
6.3. Внутривидовая изменчивость популяций ели сибирской на Южном Урале и в Башкирском Предуралье 200
Глава 7. Сохранение и воспроизводство генетического разнообразия древесных растений в лесной селекции и семеноводстве 209
7.1. Некоторые естественные и антропогенные факторы поддержания генетического разнообразия древесных растений 209
7.2. Воспроизводство генофонда природных популяций на лесо-семенных плантациях 219
7.3. Формовое и генетическое разнообразие плюсовых деревьев сосны обыкновенной 250
7.4. Генетические резерваты древесных растений 260
Выводы 267
Библиографический список использованной литературы 271
Список латинских названий видов 330
Приложения 332
- Изоферментные молекулярно-генетические маркеры растений
- Краткая характеристика района исследований
- Генетический контроль и изменчивость ферментных систем видов семейства Pinaceae
- Аллельное разнообразие сосны обыкновенной
Введение к работе
Актуальность темы. Сохранение и воспроизводство биологического разнообразия является глобальной задачей современного мира. Развитие цивилизации поставило человечество на грань экологической катастрофы. Одним из главных признаков времени является сокращение видового разнообразия Земли: за последнее столетие исчезли около 25 тыс. видов высших растений и 1 тыс. видов позвоночных животных. Угроза сохранению отдельных видов и экосистем еще никогда не была так велика, как сегодня. Если не принять в ближайшее время действенные меры по сохранению разнообразия растений, то к середине XXI века могут быть потеряны до 2/3 из 300 тыс. видов растений, обитающих на Земле. Скорость исчезновения видов 5000 раз превышает ход эволюции [Алтухов, 1995; Коропачинский, 1997; Андреев, Горбунов, 2003].
При этом наряду с такими явными факторами негативного влияния на экосистемы, как различные виды загрязнения среды или техногенное разрушение мест обитания популяций, важнейшим фактором сокращения биоразнообразия является нерациональная хозяйственная деятельность без учета структуры внутривидовой изменчивости и генетической подразделенности видов. Отрицательные последствия возникают не только при использовании биологических ресурсов, но и при проведении работ по их воспроизводству. Поэтому в настоящее время можно уже говорить не об эволюции биосферы, а о происходящей на наших глазах ее деградации. Чтобы приостановить негативные процессы и обеспечить более или менее устойчивое развитие биологических систем, необходимо взаимодействие человека и природы организовать так, чтобы не разрушалась популяционная структура видов, а внутри-и межпопуляционная генетическая изменчивость поддерживалась на оптимальном уровне. Очевидным фактом является то, что реальное сохранение
биоразнообразия видов возможно лишь при сохранении системной организации популяций - исторически сложившихся, самовоспроизводящихся внутривидовых группировок особей. Хотя антропогенное воздействие испытывает биосфера в целом, популяции являются наиболее чувствительным объектом непосредственных внешних воздействий. Следовательно, одним из главных принципов неистощительного природопользования должно быть максимальное сохранение генетического разнообразия популяционных систем в процессе их использования и искусственного воспроизводства, восстановление структуры нарушенных систем и создание новых систем популяций в регионах, имеющих необходимые естественноисторические и экономические условия. Важнейшим условием устойчивости экосистемы в целом или попу-ляционной системы отдельного вида является саморегуляция путем взаимодействия относительно независимых составляющих компонентов через обмен необходимой информацией о внутреннем состоянии структуры и окружающей среды. То есть сохранение или восстановление исторически сложившихся информационных потоков между структурными компонентами экосистемы или вида является необходимым условием длительного существования охраняемых или вновь создаваемых сообществ, и их способности адекватной реакции на внешние воздействия. Реализация этих подходов позволит остановить разрушение биосферных генофондов и обеспечить устойчивое существование системы Человек - Биосфера в неограниченно долгом ряду поколений [Алтухов, 1995].
В настоящее время трудно переоценить значение генетики популяций для сохранения биологического разнообразия и его воспроизводства при хозяйственном использовании. Целям изучения современного состояния биологических ресурсов, разработки рекомендаций по их неистощительному использованию и научно обоснованному воспроизводству служат исследования по мониторингу биоразнообразия, в частности долговременному слежению за состоянием популяционных генофондов, оценке и прогнозированию их
динамики во времени и в пространстве, определению пределов допустимых изменений [Алтухов, 1995; 2003].
Одним из эффективных методов познания биологического разнообразия является изучение внутривидовой изменчивости, дифференциации и по-пуляционной структуры видов путем исследования наследственного биохимического разнообразия, оценка полиморфизма генов по изменчивости кодируемых ими белков. В конце 50-х годов прошлого столетия на основе использования электрофоретического разделения белков и гистохимической окраски было установлено, что один и тот же фермент может быть представлен в организме генетически детерминированными множественными молекулярными формами - изоферментами (аллозимами), которые различаются по электрофоретической подвижности [Hunter, Markert, 1957; Markert, Moller, 1959]. Исследование изоферментов является одним из косвенных приемов изучения активности отдельных генов, основанных на анализе конечных продуктов, ими контролируемых.
С начала 80-х годов в мире начался этап интенсивных популяционно-генетических исследований основных лесообразующих видов хвойных с использованием методов биохимической генетики. Изучение внутривидовой генетической изменчивости и популяционной структуры главных лесообразующих видов Урала создает основу для долговременного рационального использования лесных биологических ресурсов, эффективной охраны и воспроизводства их генофондов при искусственном лесовосстановлении и селекции.
Цель и задачи исследований. Основная цель исследований - изучение внутривидового разнообразия и дифференциации популяций видов семейства Ріпасеае на Урале, обоснование путей сохранения и воспроизводства их генофондов.
В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:
1) обобщить опыт использования изоферментных молекулярно-
генетических маркеров для изучения внутривидового разнообразия и диффе
ренциации популяций, оценки филогенетических и систематических
взаимоотношений древесных растений;
установить генетический контроль и полиморфизм ферментных систем сосны обыкновенной Pinus sylvestris L., лиственницы Сукачева Larix su-kaczewii Dyl. и ели сибирской Picea obovata Ledeb.;
выявить уровень внутривидового разнообразия, степень и характер генетической дифференциации популяций сосны обыкновенной на Южном Урале, в Приуралье, в северо-западном регионе России и Восточной Европе, лиственницы Сукачева на территории от Южного до Полярного Урала, ели сибирской на Южном Урале и в Башкирском Предуралье; проанализировать особенности микроэволюционных процессов видов семейства Pinaceae;
выполнить сопряженный анализ генетического разнообразия видов семейства Pinaceae на основе изоферментных маркеров и фенотипической изменчивости на основе морфологических признаков;
6) оценить степень воспроизводства разнообразия древесных растений при проведении селекционных мероприятий; обосновать пути сохранения биоразнообразия и генетического улучшения хвойных видов.
Основные защищаемые научные положения.
Сосна обыкновенная характеризуется высоким уровнем генетического разнообразия и низкой степенью внутривидовой дифференциации на обширной части ареала.
Лиственница Сукачева обладает относительно низким уровнем изменчивости и высокой степенью структурированности на Урале.
Ель сибирская имеет повышенный уровень генетического разнообразия и подразделенное популяций на Южном Урале и в Башкирском Предуралье.
Закономерности внутривидового генетического разнообразия и микроэволюции видов семейства Pinaceae в целом совпадают с характером их фенотипической изменчивости, согласуются с историей расселения и современной структурой ареала видов на Урале..
Пути сохранения биоразнообразия природных популяций при лесной селекции и семеноводстве.
Научная новизна полученных результатов. Установлен уровень внутривидового и внутрипопуляционного разнообразия и дифференциации популяций сосны обыкновенной, лиственницы Сукачева и ели сибирской на обширной части их ареалов путем комплексного анализа результатов генетических и фенотипических исследований на основе изоферментных молеку-лярно-генетических маркеров и морфологических признаков; выявлены особенности микроэволюционного развития популяций. Показано влияние эко-лого-географических факторов на генетические особенности популяций. Установлено нарушение генетической структуры, снижение разнообразия и высокий уровень инбридинга на лесосеменных плантациях; научно обоснованы пути сохранения и воспроизводства биоразнообразия в лесном хозяйстве.
Практическая значимость диссертационной работы. Данные об уровне разнообразия и дифференциации популяций, популяционной структуры видов в регионе, результаты генетических исследований селекционных объектов являются основой для организации научно обоснованной системы ведения лесного хозяйства, обеспечивающей сохранение биологического разнообразия популяций, начиная от лесосеменного районирования, определения интенсивности эксплуатации лесов, заканчивая созданием селекционных программ сохранения, воспроизводства и генетического улучшения лесных древесных видов на популяционной основе.
Обоснованность выводов. Теоретические выводы и практические заключения работы основаны на большом фактическом материале многолетних экспедиционных и лабораторных исследований. В начале работ по каж-
дому виду экспериментально и на основе литературных данных был уточнен генетический контроль используемых ферментных систем. Использованы различные методы биометрического анализа с применением, как стандартных статистических компьютерных программ, так и специальных, разработанных для анализа параметров изменчивости изоферментных локусов.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на регион, конф. «Изучение, охрана и рациональное использование природных ресурсов» (Уфа, 1989); междунар. симп. IUFRO «Лесная генетика, селекция и физиология лесных древесных растений» (Воронеж, 1989); XIX мировом конгр. «IUFRO's 2nd Centure» (Montreal, 1990); междунар. симп. «Лесная генетика: охрана, воспроизводство и рациональное использование генетических ресурсов» (Уфа, 1991); регион, конф. «Изучение и рациональное использование природных ресурсов» (Уфа, 1991); IY междунар. конгр. Европ.-Средиземн. отдел. Междунар. ассоц. ботан. садов «Роль ботанич. садов в совр. урбан. Мире» (Тбилиси, 1991); IY Всесоюзн. конф. «Экол. генетика раст., жив. и человека» (Кишинев, 1991); регион, конф. «Проблемы генетики и селекции на Урале» (Екатеринбург, 1992); междунар. симп. IUFRO «Селекция и генетика сосны обыкновенной» (Латвия, Гирионис, 1994); на I съезде ВОГИС (Саратов, 1994); Азиат.-Тихоокеан. симп. по генет. улучш. лесов (Пекин, 1994); II междунар. конф. «Освоение Севера и проблема рекультивации» (Сыктывкар, 1994); всеросс. совещ. «Биоразнообразие лесных экосистем» (Москва, 1995); II междунар. конф. «Экология и охрана окружающей среды» (Пермь, 1995); научн. конф. «Биол. разнообразие. Интродукция раст.» (Санкт-Петербург, 1995); регион, конф. «Северо-восточный регион Башкортостана: актуальные проблемы и пути их решения» (Уфа, 1996); междунар. конф «Генетика и селекция - на службе лесу» (Воронеж, 1996); XVII междунар. симп. спец. по влиянию загрязн. возд. на лесн. экосистемы «Stress factors and air pollution» (Италия, Флоренция, 1996); V конф. памяти А.А. Уранова «Популяции и сообщества растений: экология, биоразнообразие, монито-
ринг» (Кострома, 1996); междунар. форума по проблемам науки, техники и образования (Москва, 1997; 1998); междунар. симп. IUFRO «Лиственница-98: мировые ресурсы для селекции, устойчивости и утилизации» (Красноярск, 1998); всерос. науч. конф. «Репродуктивная биология редких исчезающих видов растений» (Сыктывкар, 1999); II съезде ВОГИС (СПб., 2000); междунар. конф. «Сохран. и воспр. раст. компонента биоразн.» (Ростов-на-Дону, 2002); II Пущинской междунар. школа-семин. «Экология 2002: эстафета поколений» (Пущино, 2002); всерос. научн. конф. с междунар. участ. «Восьмые Вавиловские чтения. Мировоззрение современного общества в фокусе научного знания и практики» (Йошкар-Ола, 2004).
Личный вклад автора. В диссертации использованы полевые и экспериментальные данные, полученные лично диссертантом на всех этапах работы. Автор организовал и провел многочисленные экспедиционные исследования и сбор растительного материала, лабораторные исследования по элек-трофоретическому анализу ферментных систем; обработал полученные материалы с применением методов популяционно-биометрического анализа, изложил и обобщил результаты, сопоставив их с литературными данными.
Исследования проведены в период с 1987 по 2005 годы в Ботаническом саду институте Уфимского НЦ РАН по государственной теме лаборатории лесной генетики «Популяционно-генетическая структура лесных древесных видов, анализ закономерностей микроэволюционных процессов» (номер госрегистрации 01.200.1 16028) в рамках приоритетных направлений фундаментальных исследований Отделения биологических наук РАН 5.27 «Оценка состояния и проблемы сохранения биоразнообразия. Мониторинг».
Отдельные этапы работы выполнялись в соответствии с Программой сотрудничества с ГДР (ФРГ) и Россией в области аграрных исследований по теме «Эколого-генетическое воздействие антропогенного загрязнения на природные экосистемы» (1988-1994), проектом РФФИ «Особенности попу-ляционно-генетической структуры лиственничных лесов Урала» (1994-1995,
грант №94-04-011263), проектом Междунар. научного фонда (Фонда Сороса) «Популяционно-генетическая структура ели сибирской на Южном Урале: изменчивость, дифференциация и интрогрессивная гибридизация» (1994-1995, грант NYP000), Междунар. грантом Шведского университета с/х наук в рамках Программы Евро-Арктического Баренцевского Комитета «Русские лиственницы в Скандинавии» (1997-2000), догов, с АН Республики Башкортостан по темам «Эколого-генетическая оценка и мониторинг лесов Башкортостана» (1993-1995), «Оздоровление окружающей среды и улучшение здоровья населения» (1996-1998), «Экология Башкортостана в пространственно-временном единстве» (1999-2004), а также были поддержаны грантом РФФИ по Программе поддержки ведущих ученых (1996) и Государственной научной стипендией РФ (1997-2000).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 55 печатных работах, в том числе в 2 монографиях (М.: «Наука»), 3 коллективных монографиях (1 - М.: «Наука»), 22 статьях, из них 10 статей в журналах РАН «Доклады академии наук», «Генетика», «Лесоведение».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав (1 - обзор литературы, 2 - объекты, материалы и методы исследований, 3-7 -результаты и обсуждение), выводов, списка цитируемой литературы, списка латинских названий видов и приложения. Работа изложена на 361 странице, включает 44 таблицы, 57 рисунков, 13 приложений. В списке цитированной литературы 587 библиографических названий, из которых 270 иностранных.
Изоферментные молекулярно-генетические маркеры растений
Изучение, сохранение и воспроизводство биологического разнообразия является глобальной задачей современного мира. Развитие цивилизации поставило человечество на грань экологической катастрофы. Одним из главных признаков времени является сокращение видового разнообразия Земли: за последнее столетие исчезли около 25 тыс. видов высших растений и 1 тыс. видов позвоночных животных. Угроза сохранению отдельных видов и экосистем еще никогда не была так велика, как сегодня. Если не принять в ближайшее время действенные меры по сохранению разнообразия растений, то к середине XXI века могут быть потеряны до 2/3 из 300 тыс. видов растений, обитающих на Земле. Скорость исчезновения видов 5000 раз превышает ход эволюции [Алтухов, 1995; Коропачинский, 1997; Андреев, Горбунов, 2003].
При этом наряду с такими явными факторами негативного влияния на экосистемы, как различные виды загрязнения среды или техногенное разрушение мест обитания популяций, важнейшим фактором сокращения биоразнообразия является нерациональная хозяйственная деятельность без учета структуры внутривидовой наследственной изменчивости и генетической подразделенности видов. Отрицательные последствия имеют место не только при непосредственной эксплуатации биологических ресурсов, но и при проведении работ по их воспроизводству. Целям изучения современного состояния биологических ресурсов, разработки рекомендаций по их неистощитель-ному использованию и научно обоснованному воспроизводству служат исследования по мониторингу биоразнообразия, в частности долговременному слежению за состоянием популяционных генофондов, оценке и прогнозированию их динамики во времени и в пространстве, определению пределов допустимых изменений [Алтухов, 1995; 2003].
Биоразнообразие, фенотипическое разнообразие - это лишь конечное внешнее проявление фундаментального свойства любых организмов быть генетически неодинаковыми и обладать видовыми, популяционными и индивидуальными отличиями. Первопричиной этих различий является разнообразие генов, т.е. генетический полиморфизм [Алтухов и др., 1996;].
Одним из эффективных методов познания биологического разнообразия в целом, и внутривидовой изменчивости, дифференциации и популяци-онной структуры видов в частности, является изучение генетического полиморфизма и уровня генного разнообразия биологических видов на основе исследования наследственного биохимического разнообразия, оценка полиморфизма генов по изменчивости кодируемых ими белков. В 1957-1959 гг. на основе использования электрофоретического разделения белков и гистохимической окраски было установлено, что один и тот же фермент может быть представлен в организме множественными формами - изоферментами (изоэнзимами, изозимами, аллозимами), которые различаются по электрофо-ретической подвижности [Hunter, Markert, 1957; Markert, Moller, 1959].
Первоначально изоферментами называли любые множественные фракции одного и того же фермента в одном и том же организме, характеризующиеся единой субстратной специфичностью [Shaw, 1965; Серов, 1968; Ко-рочкин, 1976]. Однако в дальнейшем этому понятию был придан генетический смысл, и под изоферментами стали понимать генетически детерминированные множественные молекулярные формы ферментов, отличающиеся по своей первичной структуре [Корочкин и др., 1977]. Исследование изофер-ментов является одним из косвенных приемов изучения активности отдельных генов, основанных на анализе конечных продуктов, ими контролируемых. На электрофореграммах зоны активности ферментов обозначают арабскими цифрами в порядке уменьшения их анодной активности, обозначение изофермента составляется из наиболее употребляемого названия соответствующего фермента в сокращенном виде и цифры, обозначающей зону изофермента на фореграмме [Корочкин и др., 1977].
Для согласования изоферментной и генетической символики обычно употребляется номенклатура, предложенная Пракашем и др. [Prakash et al., 1969], по которой соответствующий локус обозначается сокращенным названием фермента. При этом первая прописная латинская буква остается без изменения, а последующие заменяются на строчные. Например, малатдегидро-геназа MDH - Mdh. В случае соответствия одному ферменту двух и более локусов они нумеруются арабскими цифрами: Mdh-1, Mdh-2 и т.д. Алл ел ь-ные гены обозначаются числами, отражающими относительную подвижность соответствующих изоферментов (аллозимов): Mdh-11 00, Mdh-10 95. Наряду с цифрами для обозначения аллельных генов используются также буквенные символы: Mdh-Iа, Mdh-lb [Корочкин и др., 1977].
При исследовании изоферментов основным методом является электрофорез белковых растворов (экстрактов) из различных тканей с последующей гистохимической окраской с целью выявления зон, обладающих ферментативной активностью. Впервые метод был описан при анализе эстераз [Hunter, Market, 1957]. Более подробно принципы использования разделения белков методом электрофореза в крахмальном геле и гистохимического выявления ферментов были изложены через два года [Markert, Moller, 1959]. Основные достоинства метода следующие: возможность анализа сложной смеси белков - благодаря специфичности метода гистохимического окрашивания отпадает необходимость их предварительного фракционирования; возможность исследования свежеэкстрагированного материала из разных тканей, что позволяет исследовать нативные формы ферментов, характерные для состояния in vivo; простота лабораторных методов исследований в сочетании с большой производительностью [Корочкин и др., 1977]. Интенсивное развитие электрофоретической и гистохимической техники изучения ферментов в гелях сделали электрофорез в последней четверти XX столетия одним из основных методов исследования в области популяци-онной и экологической генетики, генетики развития, биохимической эволюции и систематики, молекулярной биологии, физиологии и во многих других областях биологических, а также медицинских наук [Корочкин и др., 1977].
В исследованиях изоферментов растений наиболее часто используется электрофорез на таких твердых носителях, как крахмальные и полиакрила-мидные гели, реже - полиацетатные и агаровые гели. Общим принципом электрофореза изоферментов является четкость разделения отдельных форм фермента при сохранении активности.
Краткая характеристика района исследований
Географическое положение и рельеф Урала. Основная часть исследований проведена в природных популяциях основных лесообразующих хвойных видов на Урале и в Приуралье. Рельеф уральского региона сильно расчленен. По характеру геоморфологического строения в пределах Урала и прилегающих к нему территорий выделяют следующий крупные зоны рельефа: осевую зону с гористым рельефом, западный и восточный склоны с увалистым рельефом, выровненный пенеплен Зауралья, полосу депрессий Пре-дуральского прогиба, восточные окраины Русской равнины, западную часть Западно-Сибирской равнины [Борисевич, 1968].
Природно-климатические условия Урала и прилегающих областей отличаются большим разнообразием, что влияет и на распределение растительного покрова.
Южный Урал простирается от широтного отрезка р. Урал до 55 54 с.ш. [Тахаев, 1959; Физико-географическое районирование ..., 1964]. В Башкирском Предуралье основными формами рельефа являются Уфимское плато (абсолютные отметки водоразделов 270-517 м над у. м.), Белебеевская возвышенность (400-485 м), равнинно-всхолмленное Бельско-Камское междуречье, Юрюзанско-Айская холмисто-грядовая равнина. В пределах собственно Южного Урала простираются крупные среднегорные и высокогорные хребты, а на южной оконечности - Зилаирское плато (500-700 м). Абсолютные отметки осевого хребта Урал-Тау, являющегося водоразделом Волжского, Обского и Уральского водных бассейнов, не превышают 750-1000 м над у.м. Наиболее высокие горные массивы (хребты Иремель, Яман-Тау, Баш-Тау, Таганай, Уреньга, Крака) достигают 1200-1638 м, имеют скалистые, лишенные лесной растительности, вершины-гольцы. В Башкирском и Челябинском Зауралье различают предгорья и мелкосопочник восточного склона хребта Урал-Тау, а также крупные меридиональные хребты Ирендык и Крыкты (900-1118 м).
Средний Урал простирается до 59 15 с.ш. (наивысшая точка - гора Качканар, 883 м). Восточный склон его представлен предгорьями и широкой равнинно-холмистой областью (до 100 км), полого наклоненной к Западно-Сибирской равнине [Борисевич, 1968]. Западнее Среднего Урала располагается Пермско-Камское и Вишерское Предуралье, представленное Сылвен-ским кряжем (высоты до 452 м), Косьвинско-Вишерского Увалом, расчлененным эрозией равнинным Оханско-Воткинским плато, приуральской окраиной Русской равнины [Колесников, Шиманюк, 1969].
Северный Урал начинается от горы Качканар и заканчивается горой Тельпоз-Из (1617 м) на 64 с.ш. Горная полоса представлена рядом крупных плосковершинных хребтов (Денежкин Камень - 1493 м, Конжаковский камень - 1569 м) [Борисевич, 1968]. К востоку грядово-увалистые предгорья переходят в Зауральскую равнину (Свердловское и Тюменское Зауралье). Западный склон Северного (и Приполярного) Урала граничит с Печорской низменностью (долины Печоры и Усы), к которой с запада подступает Ти-манский Кряж (Печоро-Тиманское Предуралье).
На Приполярном Урале (от широтного отрезка долины р. Щугор до верховьев Хулги) преобладают обширные высокие плоскогорья, над которыми поднимаются хребты высотой до 900-1800 мис высшей точкой Урала горой Народной (1894 м). Восточные предгорья переходят в Западно-Сибирскую равнину, представленную заболоченными низменностями (до 100 м) и возвышенностями (до 300 м, Мужевский Урал) в междуречье Оби и Северной Сосьвы [Борисевич, 1968].
Полярный Урал представлен срединным хребтом шириной до 15-20 км с наиболее высокими вершинами Пай-Ер (1500 м) и Рай-Из (1027 м). С востока к Полярному Уралу примыкает цепочка гряд и увалов высотой до 600 м и равнинное Нижнее Приобье. К северу от Собь-Елецкого поперечного понижения горная полоса расширяется до 80 км, с востока к ней примыкает широкая полоса увалистых предгорий, переходящих в равнину в долине рек Щучьей и Хадыта-Яхи [Борисевич, 1968].
Климатические и почвенные условия. Географическое расположение Урала в центральной части материка, большая протяженность с юга на север (от Оренбургских степей до берегов Карского моря), значительная приподнятость и расчлененность территории определяют многообразие климата [Кув-шинова, 1968]. В силу этого, для Урала характерны четкое деление на климатические зоны, вертикальная климатическая поясность в горах и более южное положение биоклиматических [Кувшинова, 1968; Чикишев, 1968] и бота-нико-географических [Горчаковский, 1968, 1969] зон по сравнению с прилегающими равнинами.
В направлении с юга на север суровость климатических условий в значительной степени усиливается. Задержка Уральской горной цепью распространения атлантических воздушных масс определяет различия режима тепла и влаги на его европейских и сибирских склонах [Кувшинова, 1968]. По степени континентальное климат территории, прилегающей к Уралу с запада, может быть охарактеризован как умеренно континентальный и континентальный, а горных и расположенных восточнее районов - резко континентальный. Для климата Урала характерны длительный период отрицательных температур, суровая зима, теплое лето (на Южном и Среднем Урале), большие амплитуды колебаний температуры, распространенность поздних весенних и ранних осенних заморозков, значительная межгодовая изменчивость погоды [Тайчинов, Бульчук, 1975; Кувшинова, 1968; Колесников, 1969].
Среднегодовая температура воздуха закономерно понижается от Южного Урала (+3,5С в Башкирском Предуралье, +1,6С в Зауралье, от +0,4С до +1,2С в горной части) до Среднего и Северного Урала (от +0,1 С до -2С, в Пермско-Камском Предуралье +2,8С) и до Полярного Урала (ниже 0С, достигая в высокогорьях -7,7С) [Горчаковский, 1966; Кувшинова, 1968; Таичинов, Бульчук, 1975; Колесников, 1969]. Сумма активных температур за период вегетации закономерно снижается от 1800-2300С на Южном Урале до 100-700С на Полярном. На Южном Урале наибольшее количество осадков выпадает в горной части, наименьшее - в лесостепном Зауралье. На Среднем и Северном Урале сумма осадков велика в Предуралье и центральной горной части (до 800-1000 мм), за Уралом (Свердловское и Тюменское Зауралье) отмечается так называемая «дождевая тень» (350-580 мм) [Кувшинова, 1968; Колесников, Шиманюк, 1969]. Наибольшее количество осадков наблюдается в горах Приполярного Урала, далее же на север, запад и восток оно довольно резко снижается [Кувшинова, 1968; Чикишев, 1968].
Генетический контроль и изменчивость ферментных систем видов семейства Pinaceae
Сосна обыкновенная. Изучение внутривидового генетического разнообразия и популяционной структуры сосны обыкновенной проводилось с использованием в качестве молекулярных маркеров изоферментных локусов 5 ферментных систем, которые в разные годы применялись в исследованиях во всех выборках [Янбаев, Шигапов, 1989; Старова и др., 1990; 2002; Бахтияро-ва, Шигапов, 1992; Шигапов, 1993; 1994; 1995; Янбаев, Шигапов и др., 1994; 1996; Шигапов и др., 1994; 1995; Старова и др., 1997; 1998а, б; Янбаев и др., 1989; 1998 и др., Yanbaev, Shigapov, 1990]. При этом стабильное выявление зон ферментативной активности и удовлетворительная генетическая интерпретация полученных электрофоретических спектров достигнуты для 14 изоферментных локусов.
Число выявленных для каждого фермента локусов, число аллелей, обнаруженных в локусах и их средневзвешенная частота для вида в целом, значение средней гетерозиготности приведены в табл. 6. Среди исследованных 5 локусов оказались мономорфными во всех изученных выборках. 5 локусов -Aat-3, Aat-2, Gdh-1, Fdh-1, Mdh-3 - показали изменчивость во всех 33 выборках, при этом выявлено до 7 аллелей, 4 локуса были слабополиморфными, и в них изменчивость наблюдалась не во всех выборках (прил. 1).
Наивысшую гетерозиготность показали локусы Aat-3, Aat-2, Gdh-1, в которых генотипы деревьев сосны обыкновенной были в среднем гетерозиготны от 34,2 до 55,3% случаях (табл. 6; прил. 2; рис. 5). Причем, в этих же локусах выявлены, хотя и достаточно в целом высокие, но наименьшие среди всех изученных локусов межвыборочные различия по уровню гетерозиготности: коэффициент вариации значения ожидаемой гетерозиготности варьировал от 11,6 до 18,6%, наблюдаемой - от 22,0 до 29,0% (прил. 2; рис. 6). Коэффициент вариации здесь и далее не вычислялся для локусов, в которых в отдельных популяциях была установлена нулевая гетерозиготность.
Наблюдаемые распределения генотипов в полиморфных локусах взрослых деревьев сравнивались с ожидаемыми при равновесии Харди-Вайнберга. Соотношения Харди-Вайнберга между фактически обнаруженными в популяциях частотами генотипов и теоретически ожидаемыми, вычисленными на основе анализа состава и частоты аллелей, имеют популяци-онно-генетическую трактовку. Соотношение Харди-Вайнберга - это своего рода «состояние покоя» популяционно-генетической структуры по отдельным локусам, от которого ее смещают различные факторы популяционной динамики. Поэтому статистическое тестирование на значимость отклонений от них - непременный атрибут первичного популяционно-генетического анализа данных, так как только после этого можно переходить к сравнению частот аллелей [Животовский, 1991].
Наблюдаемые распределения генотипов в популяциях сосны обыкновенной в целом соответствовали ожидаемым при равновесии Харди-Вайнберга (прил. 3). Но в то же время выявлены отдельные случаи отклонения от соотношения Харди-Вайнберга с использованием стандартного -критерия. Наиболее часто достоверные отклонения в распределении генотипов встречались в локусах Mdh-3, Aat-3, а также - Lap-2 и Aat-2. Однако, надо отметить, что стандартный -тест дает точные результаты для диаллельных случаев (т.е. когда в локусе выявлено 2 аллеля). В случае трех и более аллелей, ожидаемые численности редких генотипов обычно малы и, следовательно, указанный критерий не полностью устанавливает реальные отклонения от соотношения Харди-Вайнберга [Жи-вотовский, 1991]. Поэтому мы использовали модифицированный для поли-аллельных локусов и малых ожидаемых численностей критерий G [Nass, 1959; Животовский, 1991], а также, учитывая, что дефицит гетерозигот, проявляющийся в отклонении наблюдаемых численностей от теоретически ожидаемых по Харди-Вайнбергу, обнаруживается в основном лишь у редких генотипов, применили метод объединения редких аллелей и исследования данных локусов как диаллельных.
Достоверные отклонения от равновесия Харди-Вайнберга с использованием модифицированных критериев на разных уровнях значимости установлены в основном лишь 1-2 локусах в отдельных популяциях (прил. 3), Практически все выявленные случаи нарушения генотипической структуры по отдельным локусам являются следствием значительного дефицита гетерозигот с участием редких аллельных вариантов. Наибольшее число случаев отклонения фактических распределений генотипов от ожидаемых наблюдалось в популяциях северо-западной части России, а также в краевых популяциях Южного Урала на Зилаирском плато.
Лиственница Сукачева. При исследовании 11 ферментных систем лиственницы Сукачева стабильное выявление зон ферментативной активности и удовлетворительная генетическая интерпретация полученных электрофоре-тических спектров достигнуты для 20 изоферментных локусов (табл. 7; рис. 7 а-в) [Тимерьянов, Шигапов, Янбаев, 1994; Шигапов и др., 1998; Шигапова, Шигапов, 2002; Путенихин, Фарукшина, Шигапов, 2004; Shigapov, Urazbak-htina, 1998].
Всего в генотипах 571 взрослого дерева в 20 изученных выборках по всем локусам описаны 43 аллеля. Пять изоферментных локусов - Aat-1, Mdh-3, Аср-2, Skdh-2, Dia-1 - показали изменчивость во всех 20 выборках, при этом выявлено до 5 аллелей и 11 генотипов в отдельном локусе. В локусе Aat-2 обнаружено 5 аллельных вариантов, однако 4 из них были редкими: частота встречаемости основного аллеля в большинстве случаев превышала или была близка к 90% (табл. 7; прил. 10). В локусах Lap-1, Lap-2, G-2-dh-2 и Fdh-1 установлены лишь 1-2 гетерозиготы с редкой формой аллеля в нескольких выборках. Остальные 10 локусов оказались мономорфными во всех исследованных выборках.
Аллельное разнообразие сосны обыкновенной
В популяциях сосны обыкновенной по исследованным 14 изофермент-ным локусам выявлен в общей сложности 51 аллель (прил. 1). Анализ ал-лельного состава и частоты их встречаемости показал, что основные (с наибольшей частотой распространения) аллели практически всех локусов в исследованных выборках были общими. Исключение составляет лишь локус Gdh-І, в котором в популяциях Шмидебергская и Сортовалинская преобладал аллель Gdh-1b, в то время как во всех остальных выборках преобладающим был Gdh-ld(npftji. 1). При этом в целом частота основных аллелей в популяциях сосны обыкновенной довольно значительно варьировала. Наиболее сильные колебания частоты преобладающих аллелей установлены в локусах Gdh-1, Aat-2, Mdh-3 (коэффициент вариации составил от 13,3 до 19,4%) (табл. 9; рис. 12).
Значительная внутривидовая изменчивость сосны обыкновенной установлена по представленности в популяциях более редких вариантов аллелей. В целом у данного вида из 51 аллеля, выявленного в изученных локусах, 32 являются редкими или относительно редкими и встречаются со средней частотой менее 5%, в том числе 22 аллеля - с частотой менее 1% (табл. 10). По характеру распространения редкие аллели можно подразделить на 2 группы: 1) аллели представленные лишь в одной отдельной локальности и 2) аллели, встречающиеся в различных частях ареала сосны обыкновенной. В качестве примера географически специфичных редких вариантов аллелей следует отметить популяции из Челябинской области, в которых выявлено значительно большее число редких аллелей по сравнению с остальными регионами среды [Шигапов и др., 1995]. Так здесь обнаружены аллели Aat-3a, Aat-3C, Aat-3g, Aat-2e, Aat-la, Lap-2d, Lap-Iа, не наблюдавшиеся ни в одной из других популяций (прил. 1). Однако выборки Челябинской области находятся в зоне сильных промышленных выбросов и особенности генетической структуры популяций сосны обыкновенной, в первую очередь, повышенное аллельное разнообразие, являются следствием увеличения темпов спонтанного мутационного процесса под воздействием техногенного загрязнения воздушной среды [Янбаев, Бахтиярова, Шигапов, 1991; Бахтиярова, Янбаев, Шигапов, 1994; 1995; Шигапов и др., 1995а; 19956; Бахтиярова, Янбаев, 1996; Бахтиярова, 1997; Starovaetal., 1996].
В некоторых других популяциях также были выявлены редкие аллели, характерные только для данного региона. В частности, аллели Gdh-lc, Fdh-le, Lap-2a обнаружены лишь в одной-двух карельских выборках, Mdh-3a - в Бур-зянской выборке Южного Урала.
В то же время для сосны обыкновенной более характерным является то, что большинство редких аллелей не являются географически приуроченными и могут встречаться одновременно в различных, удаленных друг от друга на сотни и тысячи километров популяциях с разных концов ареала ви да. Например, аллель Aat-2a выявлен во всех 3-х челябинских популяциях и в Вытегрской выборке из Вологодской области, аллель Aat-2d описан в Челябинской области, Мисской популяции из Латвии и Подпорожьенской из Ленинградской области, Aat-2g и Aat-ld - в одной-двух латвийских и одной челябинской выборке, Gdh-la - в одной южноуральской и двух северозападных популяциях, Fdh-1b - в большинстве карельских выборок и лишь в одной челябинской, Fdh-1d - по одному разу в Башкирии и Карелии.
Различия в частотах основных и составе более редких аллелей формируют в целом статистически достоверную аллельную гетерогенность популяций сосны обыкновенной по изученным локусам (табл. 11). Но при этом, результаты анализа аллельного разнообразия вида на обширной территории, особенно характер распределения редких аллелей в пространстве, позволяют утверждать, что сосна обыкновенная имеет общий генофонд на всем протяжении своего огромного ареала. Популяции сосны обыкновенной постоянно обмениваются генетическим материалом, что способствует поддержанию стабильности генетической структуры вида в целом.
