Введение к работе
Актуальность темы. Исследования, выполняемые в целях оптимизации природопользования и охраны биоразнообразия на популяционном уровне, относятся к наиболее приоритетным направлениям развития науки (Комплексная программа развития биотехнологий..., 2012). Эффективные мероприятия по охране биоразнообразия невозможны без внимания к его генетической компоненте. Вследствие рубок, болезней, загрязнения окружающей среды, осуществления индивидуального отбора в селекции, наблюдается снижение генетического разнообразия лесов (Ирошников и др., 1989; Путенихин, 1993; Видякин, 2004). Для разработки стратегии сохранения и рационального природопользования лесных ресурсов, обеспечивающей удовлетворение экономических потребностей общества и охрану биоразнообразия природных сообществ, необходимы глубокие знания о состоянии генофондов основных лесообразующих пород деревьев (Динамика популяционных..., 2004). Популяционный подход при изучении главнейших видов-лесообразователей важен для понимания закономерностей формирования лесных насажденийи и открывает перспективу эффективного исследования эволюционного процесса у древесных растений (Путенихин, 2000). Только глубокое знание тонкой популяционно-генетической структуры древесных растений позволит проводить мониторинг ее изменений и прогнозировать нарушение ее стабильного воспроизводства во времени (Политов, 2007). Род Populus L. (тополь) является модельным для генетических исследований древесных растений благодаря относительно небольшому размеру генома и огромным адаптивным возможностям (Вrunner et al., 2004). Североамериканский вид тополя Populus trichocarpa Torr. и A.Gray (западный бальзамический тополь, или калифорнийский тополь) был первым древесным видом растений, геном которого был полностью секвенирован (Tuskan, et al. 2006). Populus tremula L. (тополь дрожащий или осина) - один из важнейших лесообразующих и практически значимых древесных видов растений, что подтверждается использованием данного вида в различных отраслях народного хозяйства развитых стран, таких как США, Канада, Финляндия, Япония, Китай (Gordon et al, 1996; Geburek, Turok, 2005). В настоящее время развитие ДНК-технологий, основанных на полимеразной цепной реакции (ПЦР), открыло новые методические возможности для изучения генетических факторов, обуславливающих особенности динамики популяционно-генетической структуры тех или иных видов древесных растений (Ветчинникова и др., 2012).
Цель исследований - изучение генетической компоненты биологического разнообразия и оценка состояния генофондов популяций P. tremula в Пермском крае.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
провести молекулярно-генетический анализ популяций P. tremula с использованием ISSR-маркеров;
-
изучить генетическую структуру популяций P. tremula, определить генетические расстояния между популяциями P. tremula;
-
определить нуклеотидные последовательности генов P. tremula, которые используются для сравнительной геномики видов рода Populus и выявить в них SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms);
-
проанализировать частоту и расположение SNPs в изученных генах и провести их сравнительный анализ с SNPs других видов рода Populus;
-
провести молекулярно-генетическую идентификацию популяций P. tremula в Пермском крае с использованием ISSR-PCR маркеров и SNPs;
-
дать оценку состояния генофондов популяций P. tremula в Пермском крае.
Научная новизна работы. Впервые в Пермском крае проведено комплексное изучение генофондов популяций P. tremula. Генетическое разнообразие оценено с использованием межмикросателлитного, или ISSR (Inter-Simple Sequence Repeats)-MeTOfla анализа полиморфизма ДНК. Изучена генетическая дифференциация популяций P. tremula, установлены генетические расстояния, определены коэффициенты генетической оригинальности популяций (КТО). Секвенированы последовательности пяти генов P. tremula. Впервые проведены исследования по детекции SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) в геноме пермских популяций P. tremula. Проведен сравнительный анализ частот SNP P. tremula с частотами SNPs двух других видов рода Populus. Впервые на основании данных молекулярно-генетического анализа разработан подход и дана оценка состояния семи популяций P. tremula в Пермском крае. Разработана модельная система генетической идентификации древесных видов растений на основе ДНК маркеров (ISSR-PCR маркеров) с учетом SNP.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке подхода к определению состояния генофондов популяций лиственных древесных видов растений на примере P. tremula и модельной системы генетической идентификации древесных видов растений на основе полиморфизма ISSR-PCR маркеров и SNP. Результаты работы, научные выводы и рекомендации могут быть использованы при разработке программ
сохранения и развития генетических ресурсов P. tremula. Результаты работы
внедрены в учебный процесс Пермского государственного национального
исследовательского университета и Башкирского государственного
университета, что подтверждено актами внедрения. Результаты исследований и практические рекомендации диссертации предлагаются для использования Министерством природных ресурсов, научными учреждениями, высшими учебными заведениями, для разработки программ сохранения и рационального использования генофонда вида на популяционной основе, для генетической идентификации древесных видов растений, включая определения места происхождения древесины. Результаты исследований могут быть использованы для оптимизации методов и мер сохранения генетической компоненты биологического разнообразия популяционных систем лиственных древесных видов растений и в других регионах страны.
Связь работы с научными программами. Диссертационная работа выполнена при частичной финансовой поддержке инновационного образовательного проекта «Образование», гранта РФФИ р_урал_а № 07-04-96032 «Динамика генетического разнообразия и структуры популяционных систем ресурсных растений Пермского края при антропогенных воздействиях» (2007-2009 гг.), Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2010 гг.), НИР «Оценка состояния генофондов и популяционных систем ресурсных видов растений при естественных колебаниях и антропогенной трансформации среды с использованием новых геномных и биоинформационных технологий» (2012-2014 гг.) государственного задания на оказание услуг Министерства образования и науки РФ, программы развития ПГНИУ «Рациональное природопользование: технологии прогнозирования и управления природными и социально-экономическими системами» (2010-2019 гг.), Международного договора о сотрудничестве ПГНИУ и Университета Эври Вал де Эссон (Франция).
Личное участие автора. Автором лично проведены полевые и лабораторные исследования, выполнена обработка и интерпретация полученных результатов, сопоставление их с литературными данными, написание и оформление диссертационной работы. Подготовка публикаций выполнена лично или при активном участии автора, результаты работы опубликованы в 20 печатных работах.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на 12 научных и научно-практических конференциях, в их числе 9
Международных конференций: «Нанотехнологии в сельском хозяйстве» (Москва, 2008); «Биотехнология начала III тысячелетия» (Саранск, 2010); «ЕС -Россия: 7-я Рамочная программа в области биотехнологии, сельского, лесного, рыбного хозяйства и пищи» (Уфа, 2010); «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2010); «Третье международное совещание по сохранению лесных генетических ресурсов Сибири» (Красноярск, 2011); «Актуальные проблемы ботаники и экологии» (Киев, 2011); «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологии и медицины» (Ростов-на-Дону, 2011); «Синтез знаний в естественных науках. Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование» (Пермь, 2011) и 3 Всероссийских с международным участием: «Симбиоз-Россия 2010» (Нижний Новгород, 2010); «Симбиоз-Россия 2011» (Воронеж, 2011); «Биологические системы: устойчивость, принципы и механизмы функционирования» (Нижний Тагил, 2012); «Биология - наука XXI века» (Москва, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в их числе 4 статьи в журналах из перечня ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертационной работы составляет 145 машинописных страниц, работа содержит 21 таблицу, 22 рисунка. Список литературы содержит 180 источников, из них 112 на иностранном языке.
