Реликтовые популяции Oplopanax elatus: генетическая и генотипическая изменчивость

Материалы и методы исследования. O. elatus – корневищный многолетник, размножается главным образом вегетативно, в клонах насчитывается до 20 и более побегов, которые могут долгое время сохранять связь с материнским растением [3]. Продолжительность жизни одного побега до 40 лет. Семенное размножение неэффективно, семян на отдельных растениях завязывается довольно много, но большинство из них плохо выполнены [4]. Семена прорастают на второй год, при этом подавляющая часть проростков погибает. Общая продолжительность жизни отдельной особи от прорастания семени до отмирания всех частей клона достигает 300 лет [4]. Для анализа были собраны листья растений, находящихся на расстоянии не менее 10 м. Материал для исследований собирали на горах Литовка (29 растений) и Лазовская (15 растений) (Приморский край). Электрофоретический анализ был проведен по 8 ферментным системам, предположительно кодируемым 13 локусами. Экстракцию, электрофорез и гистохимическое окрашивание изоферментов проводили, как описано ранее [7, 8]. Исследованные ферментные системы представлены в таблице 1. Аллели обозначали в соответствии с электрофоретической подвижностью по отношению к наиболее распространенному варианту, подвижность которого принимается за 1,00. Показатели полиморфности (P), среднего числа аллелей на локус (A), средней наблюдаемой (H o ) и ожидаемой (H e ) гетерозиготности рассчитывали общепринятыми методами [9, 10]. Статистическую обработку проводили с использованием программы TFPGA [11]. Для анализа популяционно-генетической структуры использовали F-статистики Райта [12]. Генотипическое разнообразие оценивали как соотношение G/N, где G – количество различных генотипов и N – размер выборки [13], а также с помощью модифицированного индекса разнообразия Симпсона (D), используемого для клональных растений [13, 14]: D = 1 – [Σn i (n i – 1)]/[N(N – 1)], где n i – число растений с анализируемым фенотипом i и N – общее число проанализированных растений.

Результаты исследования и обсуждение. В ходе исследования изучено 10 ферментных систем, 8 из которых стабильно выявлялись. Было идентифицировано 22 аллельных варианта, предположительно кодируемых 13 локусами (табл. 1), из них 7 генов являются мономорфными и 6 – полиморфными. Три полиморфных локуса оказались высоко изменчивыми (наблюдаемая гетерозиготность – не ниже 35%): Fe-1 – 0,479, Gpi-3 – 0,979, Pgm-2 – 0,496.

По каждому полиморфному локусу обнаружено от 2 до 4 аллелей, тест на гетерогенность показал значимые различия по частотам аллелей между популяциями (табл. 2). Локусы Ald и Aat-1 были полиморфными только в популяции горы Лазовская; аллели Ald^0.85 , Aat-1^0.85 , Aat-1^1.10 , Aat-1^1.20 были обнаружены только в этой популяции, Lap-1^1.05 – только в популяции горы Литовка.

Таблица 2

Примечание: N – число исследованных растений.

Частоты аллелей 6 полиморфных локусов в популяциях Oplopanax elatus и тест на гетерогенность

На основе аллельных частот 13 локусов были рассчитаны основные показатели генетического полиморфизма, отражающие уровень изменчивости O. elatus (табл. 3). Обнаружено, что в среднем в изученных популяциях около 30% генов находится в полиморфном состоянии и каждое растение гетерозиготно по 17,1% своих локусов. Более высокими показателями полиморфизма характеризуется популяция горы Лазовской.

Основные показатели генетической и генотипической изменчивости в популяциях Oplopanax elatus

Таблица 3

Примечание: N – количество исследованных растений; P 95 , P 99 ,% – полиморфность с учетом 95 и 99% критерия; H o – наблюдаемая гетерозиготность; H e – ожидаемая гетерозиготность; A – количество аллелей на локус; n e – эффективное число аллелей; G – число различных генотипов; G/N – генотипическое разнообразие; D – индекс разнообразия Симпсона для клональных растений.

Средние показатели по популяциям (P95 = 34,6%; A = 1,58; Но = 0,171; Не = 0,155) оказались выше средних значений, установленных в популяциях редких видов (P = 29,9%, A = 1,53, Не = 0,095) [15]. Среднее значение показателя клонального разнообразия в популяциях (G/N = 0,85) было значительно выше, значения, определенного для 45 видов клонообразующих растений (G/N = 0,27 [16]). Ситуация является не совсем обычной для редкого реликтового растения с фрагментированным ареалом; при этом весьма вероятно, что вид перенес в историческом прошлом резкое сокращение численности (“бутылочное горлышко”), когда во время оледенений происходило значительное сокращение ареала листопадных тургайских лесов, оттесненных к югу.

За счет чего мог сохраниться и поддерживаться определенный уровень полиморфизма в популяциях O. elatus ? Это может быть обусловлено действием комплекса факторов. В обеих локальностях величина наблюдаемой гетерозиготности выше по сравнению с теоретически рассчитанной из соотношения Харди-Вайнберга, что позволяет предположить направленное действие отбора на северной границе ареала в пользу гетерозиготных генотипов. Кроме того, вероятно, исходным материалом при возникновении изученных популяций O. elatus послужили гетерозиготные растения, особенно если они обладали повышенной жизнеспособностью. Однако мы полагаем, что ключевым фактором является репродуктивная биология вида. Известно, что система размножения – одна из наиболее важных биологических особенностей, ответственных за уровень полиморфизма и характер его распределения между популяциями [17]. Для многих видов с преимущественно вегетативным способом размножения установлены высокие показатели генетической изменчивости, что свидетельствует о наличии семенной репродукции, при этом слабое семенное возобновление компенсируется долговечностью генет [18]. Высокий уровень клонального разнообразия у таких видов также объясняется наличием спорадического семенного воспроизводства; известно, что для его поддержания достаточно даже небольшого числа особей, появившихся в результате полового размножения [19, 20]. В изученных популяциях O. elatus при вегетативном размножении возобновляется определенное количество наиболее приспособленных, вероятнее всего, гетерозиготных растений. С учетом того, что продолжительность жизни клонов достигает 300 лет [4], отчасти за счет этого поддерживается уровень гетерозиготности. Полученные нами данные (наличие большого числа разнообразных генотипов) свидетельствуют о происходящей в популяциях заманихи периодической половой репродукции, что вносит свой вклад в поддержание генетического полиморфизма. Кроме того, как установлено для ряда клонообразующих видов [18], долговечность клонов допускает возможность накопления соматических мутаций и сохранение возникающих изменений путем вегетативного размножения. В случае с O. elatus , это также может способствовать формированию обнаруженного уровня генетического разнообразия.

Географическая изолированность двух изученных местообитаний заманихи отразилась на степени их подразделенности (табл. 4). Отрицательное значение F IS (-0,140) свидетельствует о полном отсутствии инбридинга и избытке гетерозигот, маловероятном в случае свободного скрещивания. Значение F ST указывает, что на межпопуляционную составляющую изменчивости приходится 17,3%. Обнаруженный уровень межпопуляционной дифференциации связан как с современной фрагментацией ареала, так и с особенностями размножения вида. Недостаточное количество опылителей, плохая выполненность семян, слабая выживаемость проростков – все это ограничивает обмен генами и приводит к генетической дивергенции популяций.

Показатели F-статистик Райта для популяций Oplopanax elatus

Таблица 4

Примечание: F IS – коэффициент инбридинга особи относительно популяции; F IT – коэффициент инбридинга особи относительно всего вида; F ST – показатель подразделенности популяций.

Заключение. Уровень и характер распределения генетического разнообразия O. elatus отражают взаимодействие нескольких процессов, таких как фрагментация ареала, изоляция популяций, влияние отбора на северной границе ареала. Однако ключевым, по нашему мнению, является вклад системы размножения вида. Наличие гибкой репродуктивной системы, сочетающей различные способы размножения, позволяет с помощью клонального роста возобновлять гетерозиготные генотипы, с одной стороны, с другой – при спорадическом семенном воспроизводстве вносить дополнительные ресурсы изменчивости. В то же время особенности биологии вида – значительная продолжительность жизни отдельного клона, наличие перекрывающихся поколений, способность к перекрестному опылению – также способствуют поддержанию определенного уровня полиморфизма.

Авторы выражают искреннюю благодарность сотруднику лаборатории биотехнологии БПИ ДВО РАН Ирине Леонидовне Кац за сбор материала.