Полиморфизм фенотипических и генетических маркеров в популяциях B. nana L. на Урале

Береза карликовая (Betula nana L.) – низкий ветвистый кустарник северного полушария, высотой до 1 м, вид относится к секции Apterocaryon, произрастает в арктической и горной тундре, а также на моховых сфагновых или гипновых болотах лесной полосы (Скворцов, 2002). Ареал карликовой березы охватывает всю территорию Сибири, Урал, Северную Европу. Листовая пластина (ЛП) обладает набором признаков, позволяющих безошибочно идентифицировать данный вид в полевых условиях: размеры не более 2.5 см, тупозубчатый край, округлое или ширококлиновидное основание (Ashburner, McAllister, 2016). Гибридизация B. nana с другими видами из секции Betula малоизучена и представляет интерес, как для селекции, так и для понимания эволюционных процессов. На сфагновых болотах B. nana часто произрастает совместно с B. pubescens Ehrh. (березой пушистой). Были высказаны предположения о наличии гибридных форм B. nana × B. pubescens в популяциях карликовой березы (Anamthawat-Jonsson et al., 2010, Thorsson et al., 2007). При этом отмечено, что гибриды имели промежуточную морфологию листовой пластины (Thorsson et al., 2007).

Предпринимались попытки исследовать наличие и интенсивность гибридизации B. nana с помощью морфологических и молекулярно-генетических методов (Jadwiszczak et al., 2012, Palme et al., 2004). Большинство таких исследований охватывает Европейскую часть ареала карликовой березы, данные по популяциям карликовой березы на территории РФ фрагментарны, а изучение генетической изменчивости карликовой березы на Урале ранее не проводилось. Одним из наиболее широко используемых молекулярно-генетических методов оценки генетического полиморфизма популяций берез является анализ маркеров хлоропластной ДНК (хпДНК) (Jadwiszczak et al., 2012, Maliouchenko, 2007). У представителей рода Betula хпДНК передается по материнской линии через семена, что позволяет получить более четкую картину генетической структуры популяций.

Таким образом, цель работы – изучение популяционной изменчивости B. nana, произрастающей на Урале: фенотипической (параметров листовой пластины) и генетической (маркеров хпДНК), а также выявление признаков, которые могут быть перспективными для поиска гибридных форм.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для анализа генетического полиморфизма и фенотипической изменчивости ЛП образцы были собраны в 4 популяциях на Среднем Урале (Табл. 1). В каждой из популяций было отобрано по 20–24 генеративных особей на расстоянии не ближе 20 м друг от друга. Листовые пластины отсканированы с помощью HP Office JetPro 9010. Размеры листьев измерялись в 15-ти кратной повторности в программе AxioVision Rel 4.8. У каждого растения измерялись следующие параметры ЛП: Длина ЛП (A), максимальная ширина ЛП (В), расстояние от кончика ЛП до самой широкой части (С), расстояние от самой широкой части ЛП до основания (D), угол основания ЛП (Е), площадь листовой пластины, угол отхождения первой жилки. Дополнительно рассчитывались индексы: индекс ЛП (A/B), индекс формы ЛП (С/D). Для статистической обработки данных рассчитывали минимальный и максимальный пределы варьирования признака (max, min), среднее арифметическое значение (X ср ), ошибку среднего (m), стандартное отклонение (σ), коэффициент вариации (Cv). Статистическую обработку данных проводили с помощью программ «Excel» и «Statistica» ver. 10.0. Для анализа генетической изменчивости тотальная ДНК выделена с использованием CTAБ-метода. Амплификацию регионов хпДНК проводили с использованием праймеров и условий, описанных ранее (Medvedeva et al., 2021). Рестрикция ампликонов проводилась HinfI при температуре 37°C в течение 3 часов. Разделение полученных фрагментов выполнено на полиакриламидном агарозном геле с последующим окрашиванием AgNO3. Статистический анализ бендов произведен с помощью Arlequin 3.5 (Schneider and Lischer 2009). Филогенетические отношения между гаплотипами построены с помощью NETWORK ver.4.6.1.2 (метод Reduced Median, RM) (Bandelt et al., 1999). 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проведенного исследования установлено, что большая часть морфологических признаков ЛП в популяциях березы карликовой варьирует на среднем и высоком уровнях изменчивости (табл. 2). Высоко изменчивыми являются такие фенотипические параметры как площадь ЛП, длина и ширина, то есть признаки, характеризующие размеры листа. Такая вариабельность является следствием влияния экологических факторов и указывает на адаптационные возможности вида. Более стабильные признаки включают индексы и углы отхождения первой жилки и основания ЛП, то есть признаки, характеризующие форму. 

Высокая вариабельность параметров ЛП отмечается как на внутрипопуляционном, так и на межпопуляционном уровне (Рис. 2). Популяция Серебрянский камень характеризуется некоторой статичностью изученных параметров, что связано с экологическими условиями произрастания в горной тундре. Такие фенотипические параметры ЛП как индексы и углы отхождения первой жилки и основания ЛП являются более стабильными на межпопуляционном уровне и, следовательно, могут быть использованы как диагностические признаки для поиска и идентификации гибридов B. nana.

На основании проведенного рестриктного анализа регионов trnStrnG, trnL-trnF хпДНК в исследованных популяциях B. nana выявлено 7 гаплотипов. В таблице 3 приведены показатели генетической изменчивости популяций. 

Высокая вариабельность параметров ЛП отмечается как на внутрипопуляционном, так и на межпопуляционном уровне (Рис. 2). Популяция Серебрянский камень характеризуется некоторой статичностью изученных параметров, что связано с экологическими условиями произрастания в горной тундре. Такие фенотипические параметры ЛП как индексы и углы отхождения первой жилки и основания ЛП являются более стабильными на межпопуляционном уровне и, следовательно, могут быть использованы как диагностические признаки для поиска и идентификации гибридов B. nana.

На основании проведенного рестриктного анализа регионов trnStrnG, trnL-trnF хпДНК в исследованных популяциях B. nana выявлено 7 гаплотипов. В таблице 3 приведены показатели генетической изменчивости популяций. 

ВЫВОДЫ

1. Наиболее стабильными признаками ЛП B. nana являются индекс формы, индекс ЛП, угол отхождения первой жилки, угол основания ЛП, данные признаки могут быть использованы для выявления гибридных форм березы карликовой. Признаки, характеризующие размеры ЛП у данного вида, являются высоко изменчивыми.

2. Регионы trnS-trnG, trnL-trnF хпДНК у березы карликовой являются полиморфными и могут быть использованы для изучения генетической структуры популяций данного вида. Высокий индекс межпопуляционной дифференциации, свидетельствует о сниженном потоке генов между популяциями, что, вероятно, обусловлено экологической приуроченностью B. nana, а также географическими дистанциями между популяциями. Генеалогическая сеть позволяет предположить существование одного предкового гаплотипа. Требуется дополнительно изучить изменчивость данных регионов хпДНК у B. pubescens, произрастающей совместно с B. nana, чтобы сделать вывод о возможности использования этого маркера для поиска гибридов B. nana × B. pubescens.

3. Закономерности, выявленные в данной работе, необходимо верифицировать за счет увеличения числа исследуемых популяций.