Введение к работе
Актуальность темы. Получение данных о нативной популяционно-генетическои структуре хвойных видов является основой всех мероприятий по консервации биологических ресурсов Как виды-эдификаторы сложных лесных экосистем, хвойные должны быть первоочередными объектами охраны, поскольку от состояния их популяций зависит благополучие целого комплекса животных и растительных видов
Интенсификация освоения лесных ресурсов в последнее время требует срочного получения знаний о генетических процессах, протекающих в популяциях древесных растений в связи с усиливающимся антропогенным воздействием, особенно заметным в индустриально развитых странах Запада, где большая часть естественных лесов заменена искусственными насаждениями Только глубокое знание тонкой популяционно-генетическои структуры древесных растений позволит проводить мониторинг ее изменений и прогнозировать нарушение ее стабильного воспроизводства во времени На территории России и в ряде регионов Восточной Азии, где еще сохранилась нативная структура лесных популяций, возможно проведение уникальных исследований, необходимых для сохранения в будущем генетического разнообразия евроазиатских древесных растений, организации охраняемых территорий и семенных банков, выработки концепции неистощительного использования лесов
В настоящее время сложилась ситуация, когда традиционные подходы к изучению лесного богатства нашей страны уже не соответствуют современным требованиям Научные основы мониторинга биоразнообразия и организация рациональной неистощительной эксплуатации лесных ресурсов требуют получения количественных оценок популяционно-генетических параметров, что возможно лишь на базе молекулярно-генетических маркеров Изоферментные генные маркеры продолжают оставаться одним из главных инструментов изучения популяционно-генетическои структуры, внутри- и межвидовой дифференциации и гибридизации древесных растений Несмотря на развитие методов анализа изменчивости ДНК, во всем мире с помощью изоферментов до сих пор получают значительную долю информации о состоянии генофондов хвойных и других древесных растений
Цель и задачи исследования.
Цель работы — выявление факторов и механизмов поддержания генетической изменчивости в популяциях хвойных, изучение их дифференциации на внутри- и межвидовом уровнях, механизмов видообразования и гибридизации
Задачи исследования
-
Установить генетический контроль изоферментных систем хвойных семейства сосновых и на этой основе разработать оригинальные методы мониторинга генетического разнообразия хвойных с учетом специфики конкретных видов
-
С помощью изоферментных локусов оценить уровни внутрипопуляционной, внутривидовой и межвидовой генетической изменчивости кедровых сосен и комплекса европейской и сибирской елей
-
Оценить параметры системы скрещивания и проанализировать генетическую изменчивость в популяциях на стадиях зародышей и взрослых растений
-
Изучить родственные взаимоотношения видов сосен секции Strobus
-
Выявить межвидовые гибриды кедровых сосен и оценить роль гибридизации в эволюции и адаптации хвойных
-
Описать механизм формирования клинальной изменчивости и интрогрессивной гибридизации у европейской и сибирской елей
Научная новизна полученных результатов. Впервые с помощью изоферментных локусов, генетический контроль которых установлен в ходе исследования, изучена генетическая изменчивость широкораспространенных и эндемичных хвойных Палеарктики Работа выполнена на материале, представляющем практически все части видовых ареалов кедровых сосен Евразии (европейской, сибирской, корейской, кедрового стланика), описаны уровни внутри- и межпопуляционной, а также межвидовой генетической дифференциации, дана характеристика системы скрещивания, оценены частоты перекрестного и самооплодотворения На материале из Евразии и Северной Америки проанализированы генетические связи между кедровыми соснами, а также эволюционные взаимоотношения мягких сосен в пределах подрода Strobus рода Pmus С помощью генетических маркеров описано явление естественной межвидовой гибридизации сибирской кедровой сосны и кедрового стланика в зоне симпатрии на Байкале Генетическими методами показана успешность искусственных межвидовых скрещиваний сибирской и корейской кедровых сосен и обнаружено явление гетерозиса у гибридов У сибирской кедровой сосны впервые исследовано с помощью аллозимов явление полиэмбрионии, показано существование монозиготической (кливажной) и полизиготической полиэмбрионии, оценены их частоты в популяциях Проведен анализ клинальной изменчивости в популяциях европейской, сибирской и гибридной «финской» елей (Picea abies — Р obovata complex), охарактеризован регион, затронутый интрогрессией, показана роль интрогрессивной гибридизации в формировании клин и поддержании высокого для хвойных уровня генного и аллельного разнообразия Показано, что одним из важнейших факторов, определяющих сравнительное
однообразие аллельных частот в популяциях хвойных, является балансирующий отбор На ряде видов сосновых впервые проанализирована система скрещивания, определены ее параметры и их связь с экологией популяций Данные филогении, филогеографии и гибридизации позволяют понять пути формирования хвойных лесов Палеарктики
Практическая ценность работы. Результаты исследований могут быть использованы Федеральным агентством лесного хозяйства РФ, Рослесозащитой, лесосеменными станциями, НИИ лесной генетики и селекции, ВНИИ лесного хозяйства и региональными НИИ лесного хозяйства, кафедрами лесной генетики и селекции лесных ВУЗов для мониторинга динамики популяционных генофондов хвойных, для организации программ паспортизации лесосеменных объектов, сертификации партий семян, для обоснования выделения генетических резерватов, для научного обоснования и организации селекционных программ повышения продуктивности насаждений при сохранении оптимального уровня генетического разнообразия Полученные данные о молекулярной филогении и гибридизации у хвойных могут быть использованы в селекции для контроля успешности гибридизационных экспериментов, для получения высокопродуктивных, а также устойчивых к патогенам и вредителям форм, а также для видовой идентификации растений в ботанических садах, арборетумах, дендрариях и других искусственных насаждениях
Основные положения, выносимые на защиту:
1 Разработаны новые подходы к оценке внутрипопуляционной,
межпопуляционной и межвидовой изменчивости хвойных Северной Евразии,
основанные на сравнительном популяционно-генетическом анализе комплекса
родственных видов по единому набору генных локусов
-
Виды хвойных семейства сосновых Северной Евразии в целом характеризуются высоким уровнем аллозимного разнообразия, который выше у широкораспространенных и экологически пластичных видов, и невысоким уровнем пространственной подразделенности
-
Инбредное потомство, возникающее на ранних стадиях развития у кедровых сосен вследствие самоопыления и близкородственных скрещиваний, элиминируется отбором Среди взрослых деревьев наблюдаются равновесные распределения генотипов или эксцесс гетерозигот в результате балансирующего отбора
-
Популяции хвойных представляют собой иерархическую структуру взаимосвязанных подразделенных популяций, параметры которой у разных видов определяются соотношением дезинтегрирующих (изоляция, инбридинг, дрейф генов и дизруптивный отбор) и интегрирующих (миграция и стабилизирующий отбор) факторов
-
Традиционное выделяемые в секции Strobus рода Pmus подсекции СетЪгае и Strobi не находят генетического подтверждения, а в дифференциации отдельных эволюционных линий наиболее выражена межконтинентальная компонента, что интерпретируется как свидетельство сетчатой эволюции
-
Межвидовая гибридизация широко распространена у хвойных и играет важную роль в видообразовании и адаптации Естественная и искусственная гибридизация являются важным источником генетического разнообразия и новых перспективных для лесной селекции форм
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены лично автором устными докладами на международной конференции IUFRO «Stone Pmes and Their Environment» (5-11 сентября 1992, Санкт-Мориц, Швейцария), 2-го Всероссийского популяционного семинара (16-20 февраля 1998, Йошкар-Ола), международной конференции IUFRO «Five-needle pine species Genetic improvement, disease resistance, and conservation» (21-24 июля 2001, Медфорд, Орегон, США), 3-й Европейской конференции по экологического моделирования (15-17 сентября 2001, Дубровник, Хорватия), Втором рабочем совещании Pan-European Network on Genetic Indicators of Biodiversity (PENGIB2, 4-6 октября 2001, Санкт-Петербург), международной конференции Европейского института леса «Transformation to Continuous Cover Forestry in a Changing Environment» (3-7 сентября 2004, Бангор, Уэльс, Великобритания), совещаниях Рабочей группы 3 по генетическим индикаторам биоразнообразия социоэкономически важных видов животных, растений и рыб Европейского агентства по окружающей среде, Streamlining European Biodiversity Indicators (SEBI-2010, 10 мая 2005, Париж, Франция, 6 сентября 2005, Копенгаген, Дания), Международной рабочей школе-совещании IPGRI (International Plant Genetic Resources Institute) «Training Workshop on Forest Biodiversity» (12-25 июня 2005, Пушкино Московской обл), международной научной конференции «Наука о лесе история, современное состояние и перспективы развития» (20-24 октября 2005, Гомель, Белоруссия), Международной конференции IUFRO (рабочая группа 2 02 15) «Breeding and genetic resources of five-needle pines» (19-23 сентября 2006, Валюг, Румыния), семинаре «Популяционная и эволюционная генетика» Отдела генетики популяций и природопользования ИОГен РАН (апробация диссертации, 25 апреля 2007), международной конференции «Разнообразие фитобиоты Пути восстановления, обогащения и сохранения» (18-23 июня 2007, Кременец, Украина), стендовыми докладами на международной конференции IUFRO «Monitoring and Indicators of Forest Biodiversity in Europe - from Ideas to Operationality», (12-15 ноября 2003, Флоренция, Италия), HI Съезде Всероссийского общества генетиков и селекционеров «Генетика в XXI веке Современное состояние и перспективы развития» (12-16 июня 2004, Москва) Материалы также были представлены на 6-м Всесоюзном симпозиуме «Молекулярные механизмы генетических процессов» (3-6 февраля 1987, Москва), международном
симпозиуме IUFRO «Population genetics and genetic conservation of forest trees» (24-28 августа 1992, Carcans-Maubuisson, Франция), Международной научной конференции «Разнообразие растительного покрова Байкальской региона» (7-Ю сентября 1999, Улан-Удэ), ЩХ) Съезде Всероссийского Ботанического общества «Проблемы ботаники на рубеже XXI века» (26-29 мая 1998, Санкт-Петербург), Всероссийской конференции «Структурно-функциональная организация и динамика лесов» (1-3 сентября 2004, Красноярск), научно-практической конференции «Водлозерские чтения Естественнонаучные и гуманитарные основы природоохранной и просветительской деятельности национального парка «Водлозерский» (21-25 апреля 2006, Петрозаводск)
Декларация личного участия автора В диссертации использованы полевые и экспериментальные материалы, полученные лично диссертантом Автор в течение более 20 лет лично участвовал в организации и проведении полевых работ, разработке и модификации электрофоретических методик, планировании, проведении и анализе лабораторных экспериментов, статистической обработке их результатов, сопоставлении с литературными данными и подготовке публикаций Суммарно личное участие автора составило 75 %
Благодарности Автор выражает искреннюю благодарность своим основным соавторам по публикациям К В Крутовскому, который стоял у истоков отечественной биохимической лесной генетики, изучения кедровых сосен и елей с помощью изоферментов и был моим первым наставником в лаб популяционной генетики ИОГен РАН, М М Белоконь, Ю С Белокоюо, О П Малюченко, которые оказывали неоценимую помощь на всех этапах работы За всестороннюю помощь при проведении лабораторных экспериментов я благодарен Н Ю Гордон, за многочисленные ценные советы и дружескую поддержку всем сотрудникам лаборатории популяционной генетики ИОГен РАН Автор бесконечно признателен своему фактическому научному консультанту, академику |Юрию Петровичу Алтухову], развитию идей которого в применении к популяциям хвойных посвящен ряд глав диссертации, к сожалению, его не стало с нами как раз незадолго до официального утверждения темы данной работы Осуществление настоящего исследования было бы невозможным без помощи всех, кто помогал автору в ходе многочисленных экспедиций, а также предоставлял семена для анализа и данные по количественным признакам, оказывал методическую помощь и т д Перечислить всех практически невозможно, и представленный список неизбежно будет неполным Л И Милютин, Г В Кузнецова, А Я Ларионова (Институт леса СО РАН, Красноярск), А И Ирошников (НИИЛГиС, Воронеж), В Н Воробьев, Н А Воробьева, С Н Горошкевич, Е А Петрова (Институт экологии природных комплексов СО РАН, ныне Институт мониторинга экологических и климатических систем СО РАН, Томск), С Г Мальцев, А И Золотой (НПО «Центрлессем», Пушкино Московской обл , ныне «Рослесозащита»), сотрудники Ивантеевского дендрария (Ивантеевка Московской области), Е Д Овдин (Национальный парк «Забайкальский», П А Разумов
(Дальневосточный лесотехнический институт, Хабаровск), В В Потенко (Дальневосточный лесотехнический институт, Хабаровск, Биолого-почвенный институт ДВО РАН, Владивосток), В Н Моложников (Институт лучевых технологий СО РАН, Иркутск, И К Дамбуева, Н Г Борисова (Бурятский научный центр СО РАН, Улан-Удэ), В К Политов, (ЦНИГРИ, Москва), С И Политова (НПО «Аэрогеология», Палеонтологический институт РАН Москва), ГА Карпов (Институт вулканологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский), Н А Еременко (Курильский природный заповедник), М М Паленова (ВНИИЛМ, Пушкино, Московская обл ), А А Ильинов, Б В Раевский (Институт леса КарНЦ РАН, Петрозаводск, республика Карелия), В Л Семериков, В Б Федоров (Институт экологии растений и животных УрО РАН, Екатеринбург), О А Мочалова, Е А Андрианова (Институт биологических проблем Севера ДВО РАН, Магадан), Р Т Гут (Львовская лесотехническая академия, Львов, Украина), Г С Захаренко (Никитский ботанический сад, Крым, Украина), И И Коршиков, А К Поляков, Е А Мудрик (Донецкий ботанический сад НАНУ, Донецк, Украина), Я В и Н Н Пирко (Институт клеточной биологии и генетической инженерии НАНУ, Киев, Украина), Dr Jerry Leverenz (Herrsholm Arboretum, Дания), Dr Richard Sniezko (USDA Forest Service, Dorena Tree Improvement Center, Орегон, США), Dr R Hunt (Canadian Resources Center, Pacific Forestry Center, Виктория, Британская Колумбия, Канада), Prof Fntz Bergmann, Prof Reiner Fmkeldey (Georg-August Universitat Gottmgen, Германия), Prof loan Blada (Forest Research Institute, Бухарест, Румыния), Prof Huo-ran Wang (Китайская академия лесоводства, Пекин, Китай)
Исследования проводились в 1985-2007 гг в лаборатории популяционной генетики ИОГен РАН На протяжении всего этого периода исследования были частью плановых НИР лаборатории популяционной генетики при финансовой поддержке следующих грантов и проектов гранты РФФИ №№ 96-04-49465а, 99-04-48962а, 03-04-48454а, 04-04-49795а, 02-04-49022а, 02-04-63070к, ФЦП «Приоритетные направления генетики», Комплексная программа научных исследований РАН "Регуляторные механизмы функционирования и развития организмов" проект Динамика популяционных генофондов при антропогенных воздействиях (2001-2002), Программа фундаментальных научных исследований «Геном растений» (2002-2003), Программа фундаментальных исследований Президиума РАН, «Научные основы сохранения биоразнообразия России» проект Разработка подходов и методов оценки и сохранения генетического разнообразия природных видов животных и растений (2003-2005), Программы фундаментальных исследований ОБН РАН «Фундаментальные основы управления биологическими ресурсами» (2003-2005), «Биологические ресурсы России Фундаментальные основы рационального использования» (2006-2007) и «Динамика генофондов популяций растений, животных и человека» (2004-2005), Программа фундаментальных исследований РАН «Биологическое разнообразие и динамика генофондов», подпрограмма Динамика генофондов» (2006-2007), Программа фундаментальных исследований Президиума РАН, «Происхождение и эволюция
биосферы, Подпрограмма П, Направление 7» проект «Закономерности структурно-функциональной реорганизации геномов в биологической эволюции» (2003-2007), ФЦНТП Миннауки РФ Темы «Сохранение и генетический мониторинг генофондов человека, животных, растений и микроорганизмов (2002-2004)» и «Базы данных о генофондах видов древесных растений, атлантических и тихоокеанских лососей (2002-2004)», Гранты Президента РФ для поддержки ведущих научных школ РФ №№ 00-15-97914 (2000-2002), НШ-1698 2003 4 (2003-2005), № НШ-8596 2006 4 (2006-2008), ФЦНП «Интеграция», грантом программы «Человек и Биосфера» для молодых ученых (М&В Young Scientist Award, 1997-1998), хоздоговора с Псковским управлением лесами и ФГУП «Росгипролес» (1995-2006) Выполнению работы способствовало научное сотрудничество с Баргузинским природным биосферным заповедником (1997), Донецким ботаническим садом НАН Украины (2006-2007), Институтом клеточной биологии и генетической инженерии НАН Украины, Киев (2005-2006)
Публикации. Автором всего опубликовано более 80 научных работ В диссертации обобщены данные 52 работ, включая 2 главы в коллективных монографиях (Москва «Наука» и Washington, DC Island Press), 23 статьи в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах и сборниках статей (Ogden, Utah USDA Forest Service, Fort Collins, Colorado, USA USDA Forest Service, Amsterdam SPB Academic Publishing и др ), статьи в сборниках и материалах конференций, тезисы конференций и 2 методических пособия Общий объем публикаций 531 стр, из которых лично автору диссертации принадлежит 298 стр
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из Введения, двух глав литературного обзора, посвященных объектам и методам исследований, главы материалов и методов (описание материалов и методов частично вынесено в экспериментальные главы), шести экспериментальных глав, заключения, выводов, списка публикаций по теме работы, списка цитируемой читературы и Приложения Работа изложена на 432 страницах, включает ^рисунков, 5Ьтаблиц и Приложение
