Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Одной из центральных проблем лесной генетики и селекции является изучение генетической структуры основных лесо-ообразуюших и хозяйственно-ценных пород, к которым, в первую очередь, относятся хвойные виды. Кроме этого, в последнее время все более пристальное внимание уделяется вопросам сохранения генетических ресурсов, которые могут быть решены только на основе анализа микроэволюционных процессов в природных популяциях, включая точную оценку запаса генетической изменчивости, степени подразделенности и дифференциации.
Применение традиционных методов генетического анализа с использованием фенотипических признаков, хорошо зарекомендовавших себя в генетике и селекции большинства сельскохозяйственных культур, для лесных древесных растений оказалось практически невозможным в силу длительного цикла развития этих видов, что потребовало разработки и внедрение в лесную генетику принципиально новых экспериментальных методов анализа. В настоящий момент одним из наиболее информативных и оптимальных для широкомасштабных популяционно-гене-тических исследований является электрофоретический анализ изоферментов, которые представляют собой внутриклеточные продукты отдельных генов. Использование изоферментов в качестве моногенно и кодоминантно наследующихся генетических маркеров позволяет оценивать такие параметры, как доля полиморфных локусов в генофонде популяций и гетерозиготных локусов - в геноме отдельных особей, степень подразделености вида на субпопуляции, а также генетическую дистанцию и интенсивность потока генов между этими субпопуляциями.
К настоящему времени в странах Западной и Северной Европы, а также США, Канаде, Австралии, Израиле, Японии, Корее с использованием изоферментного метода развернуты широкомасштабные исследования более чем 50 видов хвойных пород, что дает возможность выполнять не только прикладные лесохозяйствен-ные задачи, но и вплотную подойти к решению ряда фундаментальных вопросов, включая изучение микроэволюционных процессов в популяциях, разработку стратегий сохранения генетических ресурсов различных видов хвойных, а также анализ сложных таксономических и филогенетических проблем (Yeh, Layton, 1979; Brown, Moran, 1981; Wheeler et al., 1983; Ledig, 1986; Millar et al., 1988; Hamrick, 1989; Millar, Westfall, 1992; Hamrick et al., 1992; Raja et al., 1997).
В то же время, генетические исследования хвойных на территории Беларуси и сопредельных государств начаты сравнительно недавно и их крайне мало. Что же касается представителей рода Pinus, то генетический анализ наиболее полно проведен только для кедровых сосен (Гончаренко и др., 1987, 1988, 1991, 1992а, б; Крутовский и др., 1988, 1990). В связи с этим популяционно-генетические исследования сосны обыкновенной P.sylvesths L., являющейся главным структурным
компонентом светлохвойных лесов бывшего Советского Союза, а также анализ ее таксономических и филогенетических взаимоотношений с близкородственными видами приобретают особую актуальность.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Диссертационная работа выполнена в Институте леса НАН Беларуси в ходе исследований по следующим фундаментальным темам и программам: "Провести разработку мо-лекулярно-генетических методов изоферментного маркирования хвойных пород" (1989-1991 № госрегистрации П.2.11), "Исследование и разработка генетико-се-лекционных методов для создания теоретических основ лесовосстановления и лесоразведения" (1991-1995 гг. № госрегистрации 19951416). Работа также выполнялась при поддержке фонда Сороса в рамках программы "Анализ генетических ресурсов еловых и сосновых пород бывшего Советского Союза" (RW 2000, 1994 г.)
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось на основе анализа 21-24 локусов провести исследование генетической структуры и уровня подразделенности, дифференциации и генного потока в природных популяциях сосны обыкновенной на территории Беларуси и сопредельных государств, решить некоторые сложные вопросы внутривидовой систематики Psylvestris, а также проанализировать ее таксономические и филогенетические взаимоотношения с близкородственными видами P.mugo, P.nigra и P.funebris. Конкретными задачами исследования были:
-
Подбор условий для электрофоретического выявления ферментов и установление их генного контроля у Psylvestris, P.mugo, P.nigra и P.funebris.
-
Описание генофонда Psylvestris, выраженного в частотах встречаемости аллельных вариантов, и определение уровня генетической изменчивости в природных популяциях Psylvestris.
-
Анализ подразделенности и интенсивности генного потока в популяциях сосны обыкновенной.
-
Оценка степени генетической дифференциации как между отдельными популяциями, так и между различными формами Psylvestris.
5. Определение величины генетических различий между Psylvestris, P.mugo, P.nigra и P.funebris с последующей оценкой их таксономических и филогенетических взаимоотношений.
Научная новизна полученных результатов. Впервые проведено исследование генетической структуры популяций сосны обыкновенной, произрастающих на территории от Беларуси до дальневосточного региона России. Даны оценки подразделенности, интенсивности генного потока и дифференциации для центральных и краевых популяций с использованием в анализе различных форм сосны обыкновенной. Впервые на основе большого набора генов (более 20) оценены с генетических позиций таксономические и филогенетические взаимоотношения между четырьмя видами сосен подсекции Sylvestres - Psylvestris, P.mugo, P.nigra и P.funebris.
Практическая значимость полученных результатов. Данные о генетической структуре, уровне изменчивости и дифференциации как в конкретных популяциях, так и для вида P.sylvestris в целом, могут быть использованы в мероприятиях по сохранению генетического разнообразия этой ценной лесообразуюшей породы, генетической паспортизации лесосеменных плантаций и различных селекционных объектов.
Знания о внутривидовой систематике сосны обыкновенной, а также ее таксономических и филогенетических взаимоотношениях с близкородственными видами сосен, полученные на основании генетического анализа, позволят скорректировать стратегию сохранения и восстановления биологического разнообразия в пределах рода Pinus на территории Восточной Европы и Сибири.
Экономическая значимость полученных результатов. Точные знания о запасе генетической изменчивости и структурированности природных популяций сосны обыкновенной дадут возможность воссоздавать генетически полноценные насаждения при лесовосстановлении и лесоразведении. Эти данные могут быть использованы в различных генетико-селекционных программах, а также в лесном семеноводстве.
Основные положения диссертации, выносимые на зашиту:
Выявленный уровень генетического полиморфизма позволяет рассматривать сосну обыкновенную как вид, обладающий наиболее ботатым генофондом среди других представителей рода Pinus;
Восточно-европейские и сибирские популяции сосны обыкновенной имеют единый генофонд, несмотря на удаленность и изолированность некоторых из них;
Из семи проанализированных форм сосны обыкновенной только hamata имеет генетические отличия, позволяющие выделить ее в отдельный внутривидовой таксон;
- Среди четырех проанализированных видов сосен подсекции Sylvestres филогенетически наиболее близки P. sylvestris и P. mugo, которые являются молодыми видами; P. funebris представляет собой ветвь, филогенетически отделившуюся от P. sylvestris и P. mugo на более ранней стадии. Сосна черная по отношению к сосне обыкновенной является четким видом, обособившимся не только филогенетически, но и репродуктивно.
Личный вклад соискателя. Результаты исследований, представленные в диссертации, получены непосредственно автором в лаборатории генетики леса ИЛ НАНБ. В сборе экспериментального материала и его анализе также принимали участие с.н.с. Падутов А.Е. и м.н.с. Болсун СИ., которых автор благодарит за помощь в работе. Автор особо благодарит кандидата биологических наук, в.н.с. Па-дутова В.Е. за разностороннюю помощь при выполнении диссертации и обсуждении ее результатов.
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации докладывались на VI съезде БОГиС (Горки, 1991), Международной научно-практической
конференпии "Проблемы сохранения биологического разнообразия Беларуси" (Минск, 1993), Республиканской конференции "Современные проблемы генетики и селекции" (Минск, 1995), Международной конференции IPGRI "Проблемы изучения и сохранения генетических ресурсов лесных древесных видов на территории бывшего Советского Союза" (Беловежская пуща, 1996), Международной научно-практической конференции "Генетика - на службе лесу" (Воронеж, 1996).
Опубликованность результатов. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ общим объемом 342 страницы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, 3-х глав, включающих обзор состояния проблемы по данным литературы, материалы и методы исследования, результаты и их обсуждение, а также заключеия, вьшодов и списка цитируемой литературы, который содержит 264 наименований, в т. ч. 183 на иностранных языках. Работа изложена на 131 странице, проиллюстрирована 22 рисунками, 14 таблицами.