Genetic Diversity, Structure and Differentiation of Picea abies–Picea obovata–Picea koraiensis Species Complex According to Data of Chloroplast DNA Microsatellite Analysis

全文:

Род Picea A. Dietr. – ель, один из важнейших родов в семействе Pinaceae по хозяйственному значению и по обилию видов. В настоящее время представители этого рода распространены циркумполярно по всем материкам Северного полушария – от заполярных районов почти до субтропической зоны. Видовое разнообразие рода Picea представлено примерно 40–45 видами, ареалы большинства которых находятся в Евразии и Северной Америке [1–4].

На территории России произрастают шесть видов рода Picea: Picea abies (L.) H. Karst., P. obovata Ledeb., P. jezoensis (Siebold & Zucc.) Carrière, P. glehnii (F. Schmidt) Mast., P. koraiensis Nakai и P. orientalis (L.) Peterm. Самый большой и почти непрерывный ареал среди них занимают ели европейская P. abies и сибирская P. obovata [2], а обширная зона интрогрессивной гибридизации этих видов охватывает практически всю Русскую равнину до Урала и Западной Сибири [1, 2, 5]. P. abies распространена от Скандинавии до Урала, а также в горах Западной Европы (Альпы, Карпаты, Балканы). В Предуралье P. abies постепенно замещается близким видом P. obovata. Ель сибирская произрастает в северо-восточной части Европейской России, практически на всей территории Сибири и на юге Дальнего Востока до побережья Охотского моря и нижнего Амура [6, 7]. В южной части Приамурья и в Приморье растет ель корейская P. koraiensis. Морфологическая и экологическая близость, а также наличие переходных форм вследствие возможной гибридизации [2] не позволяют установить четкой границы между P. obovata и P. koraiensis [8–11].

До настоящего времени вопрос о видовом статусе ели корейской на юге Дальнего Востока России остается открытым. Одни исследователи признают ее видовую самостоятельность [2, 6–9, 12–15], другие – рассматривают произрастающую здесь ель в качестве разновидности ели сибирской [4, 11, 16, 17]. Изучение полиморфизма морфологических признаков в популяциях ели дальневосточного региона [18], на основании которых она определялась как ель корейская, выявило значительное сходство этих популяций с популяциями ели сибирской из центральных районов ареала вида. Кроме того, было установлено, что популяции P. koraiensis на исследованной территории не обнаруживают характерной для самостоятельных видов определенной географической приуроченности. На основании полученных результатов авторами было высказано предположение об отсутствии P. koraiensis на российском Дальнем Востоке.

Кариологический анализ P. koraiensis и P. obovata выявил сходство этих видов по основным морфологическим типам хромосом. Существенные различия между кариотипами наблюдались лишь по длине хромосом, числу, частоте встречаемости и особенностям локализации нуклеолярных районов [19]. По мнению авторов, встречающиеся у P. koraiensis спутничные хромосомы могут быть дополнительным критерием для разграничения спорных в таксономическом плане видов P. koraiensis и P. obovata.

По данным В.В. Потенко [20], произрастающие в исследованном регионе Дальнего Востока P. obovata и P. koraiensis обнаруживают достоверно значимые различия в генетической структуре. На дендрограмме, построенной с помощью парно-группового метода кластерного анализа (UPGMA) на основе генетических дистанций, рассчитанных по 20 изоферментным локусам, популяции P. obovata и P. koraiensis разделяются на две группы с высоким уровнем бутстреп-поддержки. Степень генетической дифференциации популяций этих видов сопоставима с уровнем, выявляемым изоферментным методом у P. abies и P. obovata, а также у других близкородственных видов хвойных.

В естественных условиях ель корейская также растет в Северной Корее и в северо-восточных районах Китая, где ее видовой статус не вызывает сомнений у научного сообщества [21, 22]. С помощью маркеров мтДНК и хпДНК проведены исследования пяти близкородственных видов елей комплекса P. asperata Mast.–P. crassifolia Kom.– P. meyeri Rehder et E.H.Wilson–P. koraiensis–P. obovata [23]. Эти виды морфологически сходны, но имеют отдельные ареалы. Известно, что у хвойных вследствие разных способов передачи генетической информации (по материнской или по отцовской линии) митохондриальная и хлоропластная ДНК характеризуются разными скоростями генного потока. Хлоропластная ДНК, передаваемая через пыльцу, имеет более высокие скорости генного потока по сравнению с митохондриальной ДНК, передаваемой через семена. В ходе сравнительного исследования было обнаружено, что использованные авторами маркеры мтДНК выявляют главным образом географическую изменчивость, а маркеры хпДНК разделяют популяции в зависимости от их видовой принадлежности. Идентифицировано четыре группы популяций разных видов, дифференцированных друг от друга. Наиболее значительные различия по маркерам хпДНК наблюдались между P. obovata и другими видами комплекса елей, включая группу из двух видов, в которую входит P. koraiensis. Полученные данные свидетельствуют о том, что для разграничения видов елей лучше всего подходят маркеры хпДНК с высокой скоростью потока генов.

Исследование генетического разнообразия и популяционной структуры P. koraiensis на основе анализа однонуклеотидного полиморфизма (SNP), проведенное в различных по географическому положению и климатическим условиям популяциях Китая [24], выявило достаточно высокий уровень внутривидовой дифференциации популяций этого вида. Основными причинами существенных различий между изученными в регионе популяциями P. koraiensis, по мнению авторов этого исследования, являются их географическая изоляция, климатическая гетерогенность и интрогрессия генов. Установлено также, что среди факторов, способствующих дифференциации популяций P. koraiensis из различных мест обитания, важнейшими являются температура и осадки.

Гораздо больше публикаций посвящено результатам исследования ключевых в Евразии видов P. abies и P. obovata. Достаточно подробно освещена в литературе изменчивость морфологических признаков этих видов в разных частях их ареалов [1, 5, 25, 26 и др.]. Большое внимание при этом уделяется обсуждению их таксономического статуса.

К настоящему времени на основании анализа изменчивости генетических маркеров были получены данные о разнообразии, структуре и дифференциации популяций P. abies [27–43 и др.] и P. obovata [28, 35–40, 43–52 и др.] в различных частях ареалов этих видов. Особое внимание уделялось изучению генетической изменчивости и структуры популяций в зоне интрогрессивной гибридизации [28, 35, 38, 40, 43], в том числе на северо-западе России [53–56].

Так, при исследовании аллозимной изменчивости 26 локусов в популяциях комплекса P. abies– P. obovata [28] выявлено значительное генетическое сходство популяций этих видов. Не было обнаружено никаких фиксированных различий в аллельных частотах между ними, а также видоспецифичных диагностических локусов. На основании этого авторы предложили рассматривать P. abies и P. obovata в качестве двух подвидов или географических рас одного вида.

В дальнейших работах при использовании других молекулярных маркеров [36–38 и др.] были получены данные, указывающие на то, что P. abies и P. obovata – два разных вида, значительно дифференцированных друг от друга.

Наиболее четкое разделение видов наблюдалось при использовании маркеров мтДНК, в частности nad1 (интрон 2), наследуемого по материнской линии. По составу гаплотипов этого фрагмента в комплексе P. abies–P. obovata выделяются три группы популяций: южноевропейская, североевропейская и сибирская [32, 37–39]. Установлено, что митохондриальные гаплотипы P. abies в северных популяциях группируются вместе с гаплотипами P. obovata и отличаются от гаплотипов P. abies в южных популяциях. Уровень генетической дифференциации между европейскими и сибирскими популяциями по локусу nad1, по данным, приведенным в публикациях, был очень высоким: F_ST = 0.650 [39] и F_ST = 0.685 [35]. Исследование пространственного распределения гаплотипов мтДНК и хпДНК показало, что граница, разделяющая виды, располагается вдоль р. Оби от устья на севере до водораздела Оби и Иртыша на юге [39].

Распределение хлоропластных гаплотипов на ареале видов подтверждает интрогрессивную гибридизацию между ними. Установлен факт интрогрессии P. obovata в северные популяции P. abies [32, 33, 35, 40], а общее распределение митохондриальной и ядерной изменчивости указывает на интрогрессию ядерной ДНК P. abies в южные популяции P. obovata [38].

В результате процессов интрогрессивной гибридизации P. abies и P. obovata на территории Восточно-Европейской равнины сформировалась большая группа популяций гибридного происхождения [5, 26, 53, 54, 56, 57]. При анализе изменчивости ядерных и хлоропластных SNP в 55 популяциях P. abies и P. obovata от Западной Европы до р. Енисей установлено, что гибридная зона простирается от Карпат и Фенноскандии на западе до р. Оби на востоке [43]. Подтверждены полученные ранее другими исследователями данные об интрогрессии P. obovata в северные популяции P. abies, а P. abies в южные популяции P. obovata. Проведен совместный демографический анализ, подтверждающий множественные контакты видов в течение ледниковых циклов.

Недавние филогенетические исследования различных видов рода Picea, основанные на сравнительном транскриптомном анализе [58], также показали тесную связь между P. abies и P. obovata. Два этих вида входят в общую кладу с другими видами елей Северной Азии (P. koraiensis, P. meyeri, P. asperata, P. crassifolia, P. retroflexa Mast.) и Японского архипелага (P. glehnii, P. koyamae Shiras.), но дифференцируются от них с образованием отдельного кластера.

Следует однако отметить, что, несмотря на большое число работ, посвященных изучению P. abies, P. obovata, P. koraiensis, по морфологическим признакам и при использовании различных маркеров ядерного и цитоплазматических геномов, многие вопросы, касающиеся пространственного распределения генетической изменчивости на ареалах этих видов, структуры и дифференциации популяций в предполагаемых зонах интрогрессии видов, филогенетических взаимоотношений между видами, требуют дополнительных, более детальных исследований. Остается открытым вследствие слабой изученности и вопрос о видовом статусе ели корейской на российском Дальнем Востоке. Для определения структуры произрастающей в этом регионе ели и оценки степени ее генетического сходства со структурой популяций ели сибирской необходимо привлечь для исследования двух этих видов ДНК-маркеры, которые широко и успешно используются для изучения генетического разнообразия, структуры, дифференциации и филогении видов хвойных, в том числе видов рода Picea.

В задачи настоящей работы входило проведение сравнительного генетического исследования видового комплекса P. abies–P. obovata–P. koraiensis с помощью маркеров хпДНК. Передаваемая через пыльцу хпДНК имеет более высокие скорости генного потока, чем мтДНК, распространяемая семенами, и лучше всего подходит для выявления генетических различий между видами. В работе нами использованы универсальные для видов сем. Pinaceae хлоропластные микросателлитные локусы (cpSSR) [59], успешно применявшиеся ранее для исследования генетической структуры елей [29, 41, 49, 60] и других хвойных [61–63]. Сравнительно высокая изменчивость микросателлитов хпДНК, а также характерное для цитоплазматических геномов отсутствие рекомбинации и унипарентальное наследование, обусловливающее двукратное снижение эффективного размера популяции, обеспечивают большую чувствительность cpSSR в отношении сокращений численности популяций и изоляции [63]. В настоящее время хлоропластные микросателлиты являются одними из наиболее информативных маркеров для изучения популяционной и филогеографической структуры видов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В исследование были включены четыре группы популяций видового комплекса P. abies– P. obovata–P. koraiensis: популяции P. abies из Восточной Европы (Беларусь, Польша), популяции ели из европейской части России, Урала и Западно-Сибирской равнины, расположенные в зоне предполагаемой интрогрессивной гибридизации P. abies и P. obovata, популяции P. obovata из различных частей обширного ареала этого вида в Сибири и в Монголии, а также популяции P. koraiensis, естественно произрастающей в Приморском крае и Амурской области России, а также на северо-востоке Китая. Изучение генетической структуры, внутри- и межвидовой дифференциации популяций проводили на основе анализа изменчивости трех микросателлитных локусов хпДНК: Pt63718, Pt26081 и Pt71936, разработанных на основе хлоропластного генома Pinus thunbergii Parl. [59]. В качестве материала для исследований использовали образцы хвои и зародыши семян. Всего было проанализировано 35 популяций елей. Их местоположение, географические координаты и параметры изменчивости приведены на рис. 1 и в табл. 1.

 

Рис. 1. Географическое расположение изученных популяций видового комплекса P. abies–P. obovata–P. koraiensis. Черной линией обозначен ареал ели европейской [9] и ели сибирской [6], серой – ареал ели корейской [64]. Цифрами обозначены номера популяционных выборок из табл. 1.

 

Таблица 1. Местоположение и параметры изменчивости включенных в исследование популяций ели

№	Популяции	Местоположение	Координаты с.ш. / в.д.	n	Nh	h	uh
Picea abies
1	Карпаты	Польша, Бабья гора (1364 м)	49˚35΄/19˚33΄	39	13	0.810	0.831
2	Домжерицы	Беларусь, Березинский з-к	54˚44΄/28˚19΄	22	11	0.851	0.892
	Среднее			30.5	12	0.831	0.862
Зона контакта ареалов Picea abies и Picea obovata
3	Хибины	Мурманская обл.	67˚39΄/33˚38΄	21	8	0.844	0.886
4	Юрюзань	Челябинская обл., р. Юрюзань (487 м)	54˚41΄/58˚48΄	23	12	0.881	0.921
5	Иремель	Башкортостан, г. Иремель (1340 м)	54˚33΄/58˚52΄	25	10	0.662	0.690
6	Екатеринбург	Свердловская обл.	56˚47΄/60˚48΄	22	10	0.855	0.896
7	Казым Мыс	Ханты-Мансийский АО, р. Обь	64˚40΄/65˚37΄	19	11	0.859	0.906
8	Питляр	Ямало-Ненецкий АО, р. Обь	65˚50΄/65˚55΄	24	10	0.823	0.859
9	Ханты-Мансийск	Ханты-Мансийский АО, р. Обь	61˚02΄/69˚20΄	20	10	0.820	0.863
	Среднее			22	10.1	0.821	0.860
Picea obovata
10	Елбань	Новосибирская обл., Маслянинский р-н	54˚18΄/84˚37΄	29	10	0.842	0.872
11	Ильинка	Алтай, Шебалинский р-н	51˚22΄/85˚10΄	30	7	0.758	0.784
12	Майский	Хакасия, Усть-Абаканский р-н	53˚36΄/90˚00΄	19	10	0.881	0.930
13	Плато Путорана	Красноярский край, Таймырский Долгано-Ненецкий р-н	69˚24΄/90˚42΄	21	9	0.825	0.867
14	Ергаки	Красноярский край, Ермаковский р-н	52˚47΄/93˚23΄	29	11	0.842	0.872
15	Азас	Тыва, Тоджинский р-н, з-к «Азас»	52˚15΄/96˚20΄	29	11	0.790	0.818
16	Кочечум	Красноярский край, Эвенкийский р-н	64˚19΄/100˚14΄	30	7	0.718	0.743
17	Тура	Красноярский край, Эвенкийский р-н	64˚18΄/100˚25΄	29	10	0.809	0.837
18	Тулюшка	Иркутская обл., Куйтунский р-н	54˚27΄/101˚12΄	29	16	0.892	0.924
№	Популяции	Местоположение	Координаты с.ш. / в.д.	n	Nh	h	uh
19	Тунгусский з-к	Красноярский край, Эвенкийский р-н	60˚37΄/101˚39΄	29	10	0.759	0.786
20	Ванавара	Красноярский край, Эвенкийский р-н	60˚21΄/102˚16΄	30	14	0.904	0.936
21	Выдрино	Бурятия, Кабанский р-н	51˚26΄/104˚43΄	58	17	0.856	0.871
22	Хамар-Дабан	Бурятия, уроч. Бушелай	51˚32΄/105˚52΄	30	8	0.724	0.749
23	Косая Степь	Иркутская обл., Ольхонский р-н	52°51′/106°04′	29	10	0.835	0.865
24	Кабанск	Бурятия, Кабанский р-н	51°59′/106°32′	25	11	0.851	0.887
25	Убукун	Бурятия, Селенгинский р-н	51°28′/106°43′	30	12	0.784	0.811
26	Богд-Уул	Монголия, з-к «Богд-Уул»	47°48′/106°51′	30	9	0.760	0.786
27	Красноярово	Бурятия, Иволгинский р-н	51°51′/107°16′	29	12	0.837	0.867
28	Ольхон	Иркутская обл., о. Ольхон	53°15′/107°43′	27	9	0.842	0.875
29	Баргузинский з-к	Бурятия, р. Баргузин	54˚35΄/110˚47΄	29	9	0.787	0.815
30	Магадан	Магаданская обл., Магаданский з-к	59°39′/153°04′	27	6	0.529	0.550
	Среднее			29.4	10.4	0.801	0.831
Picea koraiensis
31	Малый Хинган	Китай, Провинция Хэйлунцзян	48˚/129˚	16	2	0.117	0.125
32	Бурейская	Амурская обл., Бурейский р-н, р. Талая	49˚47΄/130˚14΄	30	7	0.491	0.508
33	Анучино	Приморский край, Анучинский р-н	43°59′/133°07′	13	3	0.272	0.295
34	Малиново	Приморский край, Дальнереченский р-н	45°29′/134°18′	14	2	0.133	0.143
35	Ольга	Приморский край, Ольгинский р-н	43°44′/135°17′	14	4	0.367	0.396
	Среднее			17.4	3.6	0.276	0.293
	Среднее для 35 популяций (SE)			26.3 (1.4)	9.5 (0.6)	0.732 (0.035)	0.762 (0.036)

Примечание. n – размер выборки; N_h – число гаплотипов; h – гаплотипическое разнообразие; uh – несмещенное гаплотипическое разнообразие [65]; з-к – заповедник.

 

Выделение геномной ДНК проводили методом СТАВ [66] из высушенной в силикагеле хвои и из зародышей семян. ДНК каждого фрагмента амплифицировали в 10 мкл смеси, содержащей 1 × ПЦР буфер (75 мM Трис-HCl pH 8.8, 20 мM (NH₄)₂SO₄, 0.1% Твин 20), 2.5 мM MgCl₂, по 200 мкM каждого dNTP, по 0.2 мкM прямого и обратного праймера, 0.5 ед. полимеразы Taq (производство MBI Fermentas или Сибэнзим) и 10 нг геномной ДНК. Температурный профиль соответствовал приведенному в работе [59]. Продукты амплификации анализировали с помощью электрофореза в денатурирующем полиакриламидном геле с последующим окрашиванием нитратом серебра. Вариант размера (число микросателлитных повторов) рассматривали как аллель данного локуса, а комбинацию аллелей трех cpSSR-локусов у индивидуума – как гаплотип.

Популяционно-генетический анализ проводили на основании общепринятых в популяционной генетике статистических параметров, описывающих уровень изменчивости и дифференциации. В каждой популяции, используя GenAlEx 6.502 [67], были определены показатели генетической изменчивости: число выявленных гаплотипов (N_h), гаплотипическое разнообразие (h), несмещенное гаплотипическое разнообразие (uh), проведен анализ иерархической структуры изменчивости AMOVA (внутри популяций, между популяциями внутри видов, между видами) [68], вычислены индексы фиксации Ф_PT между популяциями. Индекс фиксации Ф_PT, так же как и наиболее часто используемый в популяционных исследованиях индекс фиксации F_ST, отражает степень генетической дифференциации между популяциями, однако в отличие от последнего не зависит от уровня внутрипопуляционной изменчивости [69]. Статистическую значимость индексов фиксации оценивали с помощью 999 пермутаций. Для выявления пространственного распределения генетической изменчивости был проведен Principal Coordinates Analysis (PCoA) матрицы парных межпопуляционных значений Ф_PT, рассчитанных по частотам аллелей cpSSR-локусов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Всего при анализе 920 индивидуумов из 35 популяций елей в трех хлоропластных локусах идентифицировано 20 аллелей. На рис. 2 представлена диаграмма встречаемости аллелей каждого из изученных локусов в четырех группах популяций исследованного видового комплекса.

 

Рис. 2. Частоты аллелей трех cpSSR-локусов в четырех группах популяций видового комплекса P. abies–P. obovata–P. koraiensis.

 

Из семи аллелей локуса Pt63718 лишь три (5, 6 и 7) являются общими. Наиболее высокую частоту встречаемости во всех изученных группах имеет аллель 6. Аллели 1, 3 и 4 относятся к категории редких. В локусе Pt26081 из восьми выявленных аллелей общим и наиболее распространенным является аллель 6. Аллели 1, 4 обнаружены только в популяциях P. obovata, а также в нескольких популяциях из зоны контакта ареалов этого вида с P. abies. Три редких аллеля (3, 8 и 9) встретились у отдельных индивидуумов в 1-2 популяциях P. obovata и P. abies × P. obovata. В локусе Pt71936 общим для трех исследованных видов елей является лишь аллель 2. Аллель 3 достаточно широко представлен в популяциях P. obovata и P. abies, но отсутствует у P. koraiensis. В изученных популяциях этого вида преобладает аллель 1, частота которого варьирует от 0.900 до 1. У P. obovata аллель 1 также выявляется в некоторых популяциях, но с очень низкой частотой (менее 10%).

Общее число аллелей, обнаруженных в трех cpSSR-локусах, существенно варьирует в изученных популяциях ели. Самый низкий уровень аллельного разнообразия наблюдается в популяциях P. koraiensis (4–9 аллелей). В остальных проанализированных популяциях общее число выявленных аллелей колеблется в пределах от 8 до 15.

Комбинацию аллелей трех cpSSR-локусов, проанализированных у индивидуума, рассматривали как гаплотип. Всего при генотипировании 920 экз. ели в 35 популяциях было идентифицировано 57 гаплотипов. В отдельных популяциях число выявленных гаплотипов варьировало от 2 до 17 (см. табл. 1). Распределение гаплотипов неравномерное: два гаплотипа 6/6/3 (номера аллелей в локусах Pt63718/Pt26081/Pt71936) и 6/6/2 встречались в изученных популяциях ели чаще других. Гаплотип 6/6/3 отсутствовал лишь в популяциях P. koraiensis, а гаплотип 6/6/2 – в популяции P. abies (Домжерицы) и в популяциях Хибины, Екатеринбург, Юрюзань, Иремель, Ханты-Мансийск из зоны контакта P. abies и P. obovata. Самая высокая частота встречаемости гаплотипа 6/6/3 наблюдалась в популяции P. obovata из Магаданского заповедника (66.7%), в остальных изученных популяциях P. abies и P. obovata его частота варьировала от 4.5% до 56%, составляя в среднем 24.7%. Гаплотип 6/6/2, максимально представленный в популяции ели сибирской Хамар-Дабан (43.3%), обнаруживается в других изученных популяциях ели этого вида с более низкой частотой, составляющей в среднем 26.4%. У P. abies, P. koraiensis и в зоне контакта ареалов P. abies и P. obovata гаплотип 6/6/2 также выявляется в ряде популяций, но его частота в этих популяциях не превышает 10%. Остальные гаплотипы, из обнаруженных у P. obovata, встречаются в популяциях значительно реже (2/6/2, 5/1/3, 5/6/2, 6/4/2, 6/7/2) или относятся к категориям редких и уникальных. В популяциях P. abies, кроме гаплотипа 6/6/3, выявляются и другие гаплотипы, частоты встречаемости которых варьируют в пределах от 2.6 до 27%. В зоне контакта ареалов видов обнаружены как редкие, так и наиболее распространенные (5/5/2, 6/5/3, 6/5/4, 6/6/2, 6/6/3, 6/6/4) у P. obovata и P. abies гаплотипы.

Популяции P. koraiensis существенно отличаются по составу гаплотипов от популяций двух других видов ели. В популяциях этого вида с достаточно высокой частотой (0.700–0.938) преобладает гаплотип 6/6/1. Кроме того, в некоторых популяциях обнаружены редкие гаплотипы 3/6/2, 5/6/1, 6/5/1, 6/6/2, 6/7/1, 7/6/1. Следует отметить, что бурейскую популяцию ели, включенную нами в группу P. koraiensis, ранее мы рассматривали как популяцию P. obovata [52]. Однако в результате предварительного анализа изменчивости cpSSR-локусов было установлено, что она значительно отличается по набору гаплотипов от популяций этого вида. Поэтому сочли целесообразным включить ее в группу популяций P. koraiensis, с которыми она имеет большее сходство по генетической структуре. Еще А.Я. Орлов [70] отмечал, что ель сибирская, произрастающая в бассейне Буреи, по своим морфологическим и экологическим признакам отличается от типичной ели сибирской и по ряду параметров сходна с елью корейской.

Из представленных в табл. 1 данных видно, что число (N_h) и несмещенное разнообразие (uh) гаплотипов, обнаруженных в исследованных популяциях трех видов елей, варьируют в достаточно широких пределах: от 2 до 17 и от 0.125 до 0.936, соответственно. Самые низкие параметры изменчивости наблюдаются в популяциях P. koraiensis. Среднее значение uh составило всего 0.293. У P. abies и P. obovate, и в зоне контакта их ареалов средний уровень гаплотипического разнообразия почти в 3 раза выше, чем у P. koraiensis: 0.862, 0.831 и 0.860 соответственно. Среди изученных популяций из зоны контакта ареалов P. abies и P. obovata самое низкое несмещенное гаплотипическое разнообразие наблюдалось в высокогорной популяции Иремель (0.690), самое высокое – в популяции Юрюзань (0.921). У P. obovata минимальное значение показателя uh установлено в популяции Магадан (0.550), которая представляет собой крайнее северо-восточное небольшое по площади изолированное местонахождение ели сибирской, оторванное на значительное расстояние от основного ареала вида [71]. Низкие параметры cpSSR-изменчивости в этой популяции, вероятнее всего, являются результатом сокращения численности и длительной изоляции популяции в прошлом («bottleneck»), что подтверждает высокая частота (66.7%) одного из шести обнаруженных в популяции гаплотипов. Максимальное значение показателя uh отмечено в северной популяции Ванавара из Эвенкии (0.936). В среднем для 35 изученных популяций елей значения показателей N_h и uh равны соответственно 9.5 и 0.762.

AMOVA показал, что 17.1% общего генетического разнообразия (Ф_RT = 0.171, p = 0.001), выявленного при исследовании четырех групп популяций видового комплекса P. abies–P. obovata– P. koraiensis, распределяются между группами популяций, 1.5% (Ф_PR = 0.017, p = 0.001) – между популяциями внутри групп, а остальные 81.5% изменчивости реализуются внутри популяций (Ф_PT = 0.185, p = 0.001) (табл. 2).

 

Таблица 2. Анализ молекулярной изменчивости (AMOVA) по гаплотипам хпДНК в 35 популяциях видового комплекса P. abies–P. obovata–P. koraiensis

Уровень изменчивости	d. f.	Сумма квадратов отклонений	Компоненты изменчивости	Доля изменчивости, %	p
Между группами	3	40.414	0.083	17.1	0.001
Между популяциями внутри групп	31	17.984	0.007	1.5	0.001
Внутри популяций	885	349.551	0.395	81.5	0.001
Всего	919	407.945	0.485	100

 

Достаточно высокая доля межгрупповой изменчивости, во много раз превышающая долю изменчивости среди популяций внутри групп, свидетельствует о значительной генетической дифференциации елей, входящих в исследуемый видовой комплекс. Для визуализации генетических различий между изученными видами на основе матрицы парных значений индексов Ф_PT, вычисленных по частотам аллелей трех проанализированных локусов, был выполнен PCoA (рис. 3).

 

Рис. 3. Ординация изученных популяций елей на плоскости главных координат по данным матрицы парных значений Ф_PT, вычисленных по частотам аллелей трех cpSSR-локусов: а – ординация 35 популяций видового комплекса P. abies–P. obovata–P. koraiensis; б – ординация популяций P. obovata, P. abies и популяций из зоны контакта ареалов этих видов. Нумерация популяций соответствует табл. 1. Синим обозначены популяции P. obovata, красным – P. abies, зеленым – популяции из зоны контакта ареалов P. obovata и P. abies, оранжевым – P. koraiensis.

 

На рис. 3, а представлены результаты ординации 35 популяций елей на плоскости двух главных координат. Исследованные популяции образуют несколько пространственно разобщенных групп. Одна из групп, самая многочисленная, представлена популяциями P. obovata. Лишь популяция P. obovata из Магаданской области располагается на некотором удалении от группы популяций этого вида, что свидетельствует о существенном отличии гаплотипического состава магаданской популяции от остальных включенных в анализ популяций ели сибирской. Особенность данной популяции заключается в том, что в ней преобладает с достаточно высокой частотой встречаемости (66.7%) гаплотип 6/6/3, который в других популяциях этого вида обнаруживается с более низкой частотой, составляющей в среднем 21.7%. Ранее при исследовании генетического разнообразия и дифференциации популяций ели сибирской по ядерным микросателлитным локусам также было показано, что магаданская популяция максимально дифференцируется от остальных изученных популяциях ели сибирской и характеризуется самым низким уровнем генетического разнообразия [48].

Вторая группа, находящаяся на некотором удалении от группы популяций P. obovata, включает в себя популяции P. abies и популяции ели из зоны контакта ареалов P. abies и P. obovata (см. рис. 3, а). Эта группа разделена на две слабо дифференцированные друг от друга подгруппы (см. рис. 3, б), одна из которых представлена нижнеобскими популяциями ели (Казым Мыс, Питляр, Ханты-Мансийск) и высокогорной популяцией P. abies из Карпат, а другая объединяет две уральские популяции (Юрюзань, Екатеринбург), популяцию Хибины из Мурманской области и популяцию P. abies Домжерицы. Популяция Иремель из высокогорных мест обитания на Урале отделена пространственно от остальных изученных популяций ели из зоны контакта ареалов видов и имеет более низкий по сравнению с ними уровень гаплотипического разнообразия. В недавней работе, посвященной изучению популяционной структуры и совместной демографической истории P. abies и P. obovata на основе анализа изменчивости ядерных и хлоропластных SNP [43], также были включены особи ели с горы Иремель. Показано, что эта высокогорная популяция характеризуется низким нуклеотидным разнообразием, а ее особи группируются отдельно от близлежащих низкогорных популяций, образуя отдельный кластер.

Отдельную группу на плоскости двух главных координат образуют популяции P. koraiensis, пространственное расположение которых указывает на достаточно высокую степень их дивергенции от групп популяций европейской и сибирской елей (см. рис. 3, а).

Полученные на основании анализа изменчивости трех микросателлитных локусов хпДНК результаты свидетельствуют о существенных различиях между исследованными группами популяций видового комплекса P. abies–P. obovata–P. koraiensis по составу и числу выявленных гаплотипов, уровню генетического разнообразия и структуре популяций. Наиболее значительная дифференциация по этим показателям наблюдается между популяциями из зоны контакта ареалов P. abies и P. obovata, популяциями P. abies и P. obovata с одной стороны и популяциями P. koraiensis с другой стороны (Ф_RT = 0.369, Ф_RT = 0.403 и Ф_RT = 0.336 соответственно). Степень дифференциации между популяциями двух близких видов P. abies и P. obovata оказалась на порядок ниже (Ф_RT = 0.043). Недавние филогенетические исследования различных видов рода Picea, основанные на сравнительном транскриптомном анализе [58], также показали, что P. abies и P. obovata генетически гораздо ближе друг к другу, чем к P. koraiensis.

В ходе проведенного нами исследования установлено, что самый высокий уровень генетического разнообразия среди четырех включенных в анализ групп популяций наблюдается в популяциях ели европейской и популяциях, расположенных в зоне контакта ареалов P. abies и P. obovata (см. табл. 1). Выявление в этой зоне гаплотипов, характерных для ели сибирской, и гаплотипов, встречающихся только у ели европейской, в очередной раз подтверждает существование широкой зоны интрогрессивной гибридизации между этими видами. При сравнении входящих в комплекс видов обнаружено также заметное снижение уровня генетического разнообразия в восточном направлении. У P. abies среднепопуляционное значение показателя uh равняется 0.862, у P. obovata – 0.831, а у P. koraiensis – 0.293. Более низкий уровень генетического разнообразия у ели сибирской по сравнению с елью европейской обнаружен также при сравнительном анализе популяций P. abies и P. obovata с помощью матерински наследуемого митохондриального фрагмента nad1 (интрон 2) и наследуемого по отцовской линии хлоропластного региона trnT–trnL [35–37, 39].

Полученные в ходе исследования данные о значительной генетической дивергенции ели, произрастающей на российском Дальнем Востоке, от двух других видов комплекса P. abies–P. obovata–P. koraiensis, в том числе от ели сибирской, подтверждают ее статус в качестве отдельного вида P. koraiensis. Следует, однако, отметить, что ель из Амурской области, изученная нами ранее по митохондриальному локусу mh44 [52], обнаруживает сходство с другими популяциями ели сибирской, тогда как по гаплотипическому составу исследованных нами хлоропластных микросателлитов эта популяция более близка к изученным популяциям ели корейской. В ней преобладает тот же гаплотип, что и в остальных популяциях этого вида. Расхождение между данными, полученными на основе анализа маркеров цитоплазматического генома, различающихся типом наследования, подтверждает наличие зоны интрогрессивной гибридизации между елью сибирской и елью корейской, существование которой впервые предположил Е.Г. Бобров [2]. В связи с этим необходимы дополнительные исследования с привлечением большего числа популяционных выборок как ели корейской, так и ели сибирской, особенно с малоизученного ранее обширного региона к востоку от оз. Байкал. Более детальные исследования популяций этих видов на Дальнем Востоке России позволят получить данные о границах ареалов «чистых» видов P. obovata и P. koraiensis, а также зоны их межвидовой гибридизации.

Таким образом, полученные при сравнительном исследовании видового комплекса P. abies– P. obovata–P. koraiensis результаты свидетельствуют об эффективности использования микросателлитных локусов хпДНК с высокой скоростью потока генов не только для определения уровня генетического разнообразия видов, выявления степени их дифференциации, но и для установления видового статуса спорных таксонов.

 

Авторы выражают благодарность Л.В. Кривобокову, И.В. Тихоновой, К.Г. Хомутовой, С. Жамьянсурену, В.Н. Усову, С.Н. Горошкевичу, О.А. Мочаловой, Е.А. Андриановой, Е.В. Волкову и Е.Г. Филиппову за предоставленные образцы ели.

Работа выполнена в рамках Государственного задания ИЛ СО РАН, проект № FWES-2024-0028 и Государственного задания ИЭРиЖ УрО РАН, № 122021000090-5.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с использованием в качестве объектов людей и животных.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

作者简介

A. Larionova

Sukachev Institute of Forest, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Federal Research Center «Krasnoyarsk Science Center Siberian Branch, Russian Academy of Sciences»

编辑信件的主要联系方式.
Email: alya-larion@yandex.ru
俄罗斯联邦, Krasnoyarsk, 660036

S. Semerikova

Institute of Plant and Animal Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: alya-larion@yandex.ru
俄罗斯联邦, Yekaterinburg, 620144

A. Ekart

Sukachev Institute of Forest, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Federal Research Center «Krasnoyarsk Science Center Siberian Branch, Russian Academy of Sciences»

Email: alya-larion@yandex.ru
俄罗斯联邦, Krasnoyarsk, 660036

A. Kravchenko

Sukachev Institute of Forest, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Federal Research Center «Krasnoyarsk Science Center Siberian Branch, Russian Academy of Sciences»

Email: kravchenko-anna.n@yandex.ru
俄罗斯联邦, Krasnoyarsk, 660036

V. Semerikov

Institute of Plant and Animal Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: alya-larion@yandex.ru
俄罗斯联邦, Yekaterinburg, 620144

M. Polezhaeva

Institute of Plant and Animal Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: alya-larion@yandex.ru
俄罗斯联邦, Yekaterinburg, 620144

参考

补充文件