Изучение популяционной структуры лекарственных растений как основы разработки мер по сохранению генофонда

В настоящее время проблема сохранения биоразнообразия является одной из глобальных проблем, стоящих перед человечеством, решение которой чрезвычайно важно для устойчивого развития мирового сообщества [4]. В этом плане особое внимание следует уделять редким и исчезающим видам, образующим его наиболее уязвимую часть.

Девясил высокий Inula helenium L. (Asteraceae) - ценное лекарственное растение, которое на Южном Урале находится под охраной государства. Постановлением Кабинета министров Республики Башкортостан № 231 от 11 сентября 2001 г. «О Красной книге Республики Башкортостан» он занесен в «Красную книгу» Республики Башкортостан по 3 категории редкости. К этой группе относят таксоны, представленные небольшими популяциями, которые в настоящее время не находятся под угрозой исчезновения и не являются уязвимыми, но рискуют стать таковыми. Следовательно, исследование генофонда девясила высокого и предложение мер по охране в природных условиях имеет не только высокую научную значимость (вид в этом отношении практически не изучен), но и выраженную прикладную направленность. Актуальность работы вызывается и тем, что растение чрезвычайно популярно в народной медицине и в его местообитаниях населением интенсивно собирается растительный материал для выращивания в садовых това- риществах и приусадебных хозяйствах. Тем самым наносится угроза целостности и устойчивости популяционной структуры девясила высокого. Кроме того, получаемая при исследовании информация может стать важной для научно обоснованной интродукции при создании плантаций для выращивание лекарственного сырья.

Цель исследования – изучение популяционной структуры и дифференциации популяций девясила высокого, обсуждение полученных результатов в сравнении с данными по другим ранее исследованных видам лекарственных растений Южного Урала в свете проблем сохранения их генофонда in situ и ex situ.

Материалы и методы исследований

Для изучения отобраны выборки из 9 природных популяций девясила высокого. Они расположены в южных районах Республики Башкортостан на территории Зианчуринско-го (пробные площади Zia-1 и Zia-2), Куюрга-зинского (Kum-1, Kum-2), Мелеузовского (Mel-1, Mel-2), Кугарчинского (Kug) и Ишибайско-го (Ish-1, Ish-2) районов в лесостепи Зилаир-ского плато и предгорий западного макросклона Южного Урала.

В качестве маркеров для характеристики популяционных структур нами использованы изоферменты. Для их анализа использован полиакриламидный гель-электрофорез [5, 10]. Гистохимическое окрашивание фермен- тов в гелях проведено по стандартным методикам [1]. Ферменты и локусы обозначались по одной из общепринятых номенклатур [11]. Более полное описание методов экстракции изоферментов и электрофореза было приведено ранее [2].

Для вычисления популяционных параметров использованы показатели, определяемые компьютерной программой BIOSYS-1 [12] – частота аллелей, доля полиморфных локусов Р , среднее число аллелей на локус А наблюдаемая и ожидаемая гетерозиготность ( H _O и H_E ,соответственно), показатель уровня подразделенности популяций F _ST , [9], а также коэффициент инбридинга (индекс фиксации Райта) и генетическое расстояние М. Нея D [8]. Формулы их расчета, а также определения степени гетерогенности выборок были приведены ранее [2].

Для изучения уровня дифференциации популяций особенно информативными являются полиморфные гены. В результате проведенного скрининга электрофоретической изменчивости ряда изоферментных систем установлено, что к поливариантным могут быть отнесены аллели 4 локусов. Они кодируют синтез неспецифических эстераз (EST, E.C. 3.1.1.1…), лейцинаминопептидазы (LAP, E.C. 3.4.11.1.), аспартатаминотрансферазы (AAT, E.C. 2.6.1.1.) и алкогольдегидрогеназы (ADH, E.C. 1.1.1.1.). Гипотезы о механизмах наследования ферментов были выдвинуты в ходе анализа электрофореграмм (пространственной разобщенности зон активности в гелях, образования гибридных молекул у гетерозигот и др.) и статистическим тестировании различий теоретически ожидаемых и наблюдаемых частот фенотипов изоферментов.

Результаты и их обсуждение

При сравнении частот наблюдаемых и теоретически ожидаемых распределений генотипов установлено, что их соотношение в большинстве популяций хорошо сбалансировано. Правило Харди-Вайнберга нарушается только в одном из 36 тестированных вариантов (2,8%). Этот прецедент отмечен в выборке Kum-1 из-за нехватки генотипов Aat-

1^1/2 ( χ ² =10,2, статистически достоверно на уровне значимости Р < 0,01).

Частоты аллелей изученных четырех локусов приведены в таблице 1. В большинстве популяций в каждом локусе доминирует один из изоферментов. Исключениями являются Est-13 в выборках Kug-1 и Mel-2, Aat-11 в Mel-2, Adh-11 в Kum-2.

Среднее генетическое расстояние Нея, показывающее сходство и различия популяций по частотам аллелей, составило значение D= 0,081 ± 0,011 с изменениями от 0,005 до 0,275. Сходство генофондов по принципу «изоляции расстоянием» показано лишь для пары Zia-1/ Zia-2, разделенных расстоянием в 10 км (D = 0,005). У находящихся друг от друга на практически таком же удалении выборок Ish-1 и Ish-2 (13 км) генетическое расстояние больше на один порядок (D= 0,071). Различия частот аллелей довольно высоки и у пары Kum-1/ Kum-2 из одного района (D = 0,040, 14 км). У популяций Ish-2 и Zia-1, географически наиболее разобщенных (189 км), различия генофонда выражены сравнительно немного (D = 0,045). Корреляционный анализ также свидетельствует об отсутствии статистически достоверной связи между генетическим и географическим расстояниями. Более наглядно отсутствие пространственных закономерностей изменчивости изоферментов показаны на дендрограмме (рис.). На ней сформирована группа кластеров с небольшим [7] уровнем различий D = 0,060. В пределах этой группы какие-либо географические закономерности в пространственном расположении выборок практически не наблюдаются. От нее серьезно (D = 0,189) отделена выборка Mel-2. Этот феномен может быть вызван особенностями местообитания. Все остальные пробные площади представлены большими зарослями девясила высокого на влажных лугах, где в среднем на один квадратный метр приходится 0,71 ± 0,23 растение. Участок Mel-1 расположен в густом ольшат-нике вдоль реки и включает небольшие, удаленные друг от друга группы особей, со средней плотностью 0.04 особи на один квадратный метр. В таких условиях из-за их изоляции и затруднения переопыления растений может появиться «эффект основателя», приводящий к резкому изменению генотипического состава. Другим последствием скрещивания только в пределах изолированной группы особей может быть инбридинг. В подтверждение этого предположения на пробной площади Mel-2 коэффициент инбридинга F = +0,187 – ощущается экцесс гомозиготности (табл. 2). В другом местообитании с относительно небольшой численностью растений на единицу площади (0,18 шт.) также выявлен инбридинг (Kum-1, F = +0,232). На остальных местообитаниях, где на один квадратный метр приходится 0,45-2,25 растений, коэффициент близок к нулю или наблюдается экцесс гетерозиготности.

Заключение

Редкие и исчезающие виды растений составляют наиболее чувствительную часть биоразнообразия, подлежащего охране. Причиной этого является уязвимость генофонда этой категории организмов из-за ограничения потока и дрейфа генов [6]. Из их числа лекарственные растения находятся в более опасном положении, так как деградация их популяций происходит не только по природным, но и по антропогенным причинам. Примером может служить наше исследование по родиоле иремельской («золотому корню», эндемику Южного и Среднего Урала) [3]. Из-за хищнических нерегулируемых сборов растения населением более чем на один порядок снизилась численность растений в горном массиве Иремель, исчезли целые субпопуляции. Это привело с 1990 по 2001 г.г. к утере части аллелей, понижению ожидаемой и наблюдаемой гетерозиготности от 0.257 до 0,182 и от 0,288 до 0,221 для HOиHE ,соот-ветственно.

Таблица 1. Частоты аллелей полиморфных локусов девясила высокого

Рис. Дендрограмма, построенная на основе генетических расстояний между популяциями девясила высокого

Субпопуляционная подразделенность даже в близко расположенных местообитаниях возросла от F _ST = 0,033 до F _ST = 0,073, генетическое расстояние Нея увеличилось с D = 0,010 до D = 0,033 до Средний для локусов коэффициент инбридинга изменился с F = 0,108 до F = + 0.176. Для родиолы иремельской показано [3], что сохранение ее генофонда возможно только методами ex situ. Фрагментация популяций, снижение численности растений в отдельных местообитаниях, генетическая дифференциация и снижение полиморфизма достигли такого уровня, что популяции не способны воспроизводить свое разнообразие в природных условиях. Рекомендовано создание синтетических популяций

Судя по полученным нами данным, генофонд девясила высокого на юге Башкортостана находится в более благополучном положении. Состав генотипов в большинстве местообитаний является хорошо сбалансированным, фрагментация частот аллелей не выражена – основная часть изменчивости приходится на долю внупопуляционной компоненты и свидетельствует о сравнительно интенсивном генетическом потоке. При исключении из анализа выборки Mel-2, значительно отличающейся от других групп изученных растений по частотам аллелей, генетическое расстояние между популяциями уменьшается почти в 1,7 (D = 0,049 ± 0,005). Параметр межвыборочной подразделенности составляет при этом FST = 0,094 – 90,06% изменчивости является внутрипопуляцион-ной. Эти оценки близки к данным по широко распространенным растениям (характеризующимся большими ареалами) со свойствами, которыми обладает и девясил высокий. В среднем у таких видов лесной и лесостепной зоны FST = 0,038, покрытосеменных растений FST = 0,073, насекомоопыляемых видов FST = 0,099 [7]. Влияние дрейфа генов не прослеживается. Этот микроэволюционный фактор стремится к фиксации аллелей (доведению их частот до 0 или 1.000, в первую очередь за счет редких вариантов) и снижает генетическое разнообразие. Однако в изученных нами полиморфных локусах альтернативные аллели имеют сопоставимые частоты, гетерозиготность является сравнительно высокой, обнаружены редкие аллели. Видимо, из этих обстоятельств и нужно исходить при вынесении рекомендаций по сохранению генофонда девясила высокого методами in situ и ex situ. Здесь требуют ответа следующие главные вопросы: 1) какие популяции требуют сохранения; 2) достаточно ли их сохранения в природных условиях; 3) не нужно ли сохранять генофонд вида также ex situ; 4) каким образом отбирать популяций для сохранения ex situ?

Таблица 2. Изменчивость полиморфных локусов девясила высокого

Примечание: в скобках приведены ошибки средних арифметических значений.

При межпопуляционной подразделенности до уровня FST = 0,200 для сохранения 95 % изменчивости достаточно использование всего лишь двух популяций [6]. У девясила высокого, с его более слабой дифференциацией популяций, в больших местообитаниях возможно сохранение довольно репрезентативной части генофонда вида (по крайней мере, для исследованной части ареала). Выбор расположения объектов охраны in situ и их формы при этом мало ограничивается генетическими причинами. Это обстоятель- ство дает возможность большего учета других (экономических, организационных и т.д.) факторов. Это заключение, видимо, справедливо и при отборе растений для сохранения генофонда и их использования в условиях ex situ. Следует исключить создание особо охраняемых природных территорий и формирование коллекции для интродукции на базе местообитаний с нетипичной популяционной структурой растений. Как показали результаты настоящего исследования, в таких условиях формируется генофонд, в целом не