Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 10
1.1 Исторический аспект проблемы сокращения генетического разнообразия 10
1.2 Ареал ели на территории Восточно-Европейской равнины и его формирование 15
Глава 2. Объекты и методы исследования 19
2.1 Объекты исследования 19
2.2 Методика сбора образцов для генетического анализа 23
2.3 Выделение ДНК 24
2.4 Амплификация ДНК и документация полученных данных 26
2.5 Статистическая обработка данных, полученных в результате амплификации RAPD-праймеров 29
2.6 Методика оценки генетического разнообразия по результатам измерения диаметра полусибсового потомства плюсовых деревьев 31
2.7 Методика оценки фенотипического варьирования для семей в клоновой плантации ели европейской в Иматре 32
2.8 Методика сопоставления генетического разнообразия, полученного молекулярно-генетическими методами, с фенотипическим варьированием исследуемых признаков для клоновых семей ели европейской 37
Глава 3. Оценка генетического разнообразия исследуемых популяций ели 38
3.1. Оценка генетического разнообразия на основании данных RAPD праймеров 38
3.2 Влияние географического расположения популяций на их генетическое разнообразие 41
3.3 Оценка генетического разнообразия фенотипическими методами для испытательных культур, заложенных полусибсовым потомством 43
3.4 Оценка генетических расстояний для исследуемых образцов с клоновой плантации 46
3.5 Оценка фенотипического варьирования для семей в клоновой плантации ели европейской в Иматре 49
3.6 Сопоставление фенотипического и генетического варьирования для исследуемых генотипов с клоновой плантации ели европейской (Иматра) 53
3.7 Наличие гетероплазмии в митохондриальном гене Nad 1 в Вепсской популяции ели 60
3.8 Практическое применение результатов исследования 62
Заключение 66
Список литературы 68
Приложения 76
- Исторический аспект проблемы сокращения генетического разнообразия
- Методика оценки фенотипического варьирования для семей в клоновой плантации ели европейской в Иматре
- Сопоставление фенотипического и генетического варьирования для исследуемых генотипов с клоновой плантации ели европейской (Иматра)
- Практическое применение результатов исследования
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Хозяйственная деятельность человека может оказывать негативное влияние на состояние естественных популяций, выражающееся в понижении их устойчивости и жизнеспособности, снижении качества оказываемых ими экосистемных услуг, или полной деградации [Алтухов, 2004; ГБО3, 2010]. Устойчивое получение экосистемных услуг от лесных экосистем зависит от устойчивости экосистем. Одним из аспектов устойчивости лесных экосистем является генетическое разнообразие образующих их видов. Знание уровня генетического разнообразия видов в естественных популяциях может быть применено в качестве референса при оценке уровня антропогенного воздействия на исследуемые популяции [Алтухов, 2004]. Кроме того, тот или иной уровень генетического разнообразия может указывать на необходимость охраны той или иной популяции, а также – на необходимость её исследования.
Степень разработанности темы исследования. В Северном районе Российской Федерации еловые леса занимают 50% от площади земель лесного фонда [Лесной фонд, 1999], в то время как в Северо-Западном – 23 % [Лесной фонд, 1999]. При этом, отмечается недостаток работ по исследованию уровня генетического разнообразия естественных популяций ели европейской. В связи с этим, исследование генетического разнообразия естественных еловых популяций представляется актуальным.
Цели и задачи исследования. Цель диссертационной работы – изучение
генетического разнообразия естественных популяций ели преимущественно с
территории Восточно-Европейской равнины. Сравнение генетического
разнообразия естественных популяций ели с генетическим разнообразием клоновой плантации ели европейской. Поиск перспективных для дальнейшего исследования естественных популяций ели в рамках исследованных в настоящей работе. Сопоставление результатов, полученных посредством молекулярных методов, с результатами, полученными при использования биометрических методов.
Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:
-
Изучение и оценка генетической изменчивости естественных популяций ели преимущественно с территории Восточно-Европейской равнины;
-
Изучение и оценка генетической изменчивости клоновой плантации ели европейской;
-
Изучение и оценка генетической изменчивости полусибсовых испытательных культур ели европейской;
-
Исследование митохондриального гена Nad 1 для ряда исследуемых настоящей работе популяций;
-
Оценка взаимосвязи географического расположения естественных популяций ели с наблюдаемым у них уровнем генетической изменчивости;
-
Сравнение уровня генетической изменчивости естественных популяций ели с уровнем генетической изменчивости клоновой плантации ели.
7) Сопоставление данных, полученных посредством молекулярно-
генетических данных, с данными, полученными посредством биометрических методов.
Научная новизна. Получены новые данные о генетическом разнообразии естественных популяций ели на территории Восточно-Европейской равнины. Обнаружены популяции ели, представляющие интерес для дальнейших исследований. Показана статистический достоверная (р < 0.05) зависимость уровня генетического разнообразия естественных популяций ели от их географического местоположения. Впервые описано явление, вероятно представляющее собой гетероплазмию митохондриального генома ели.
Теоретическая значимость работы: Показана линейная зависимость уровня генетического разнообразия исследуемых популяций ели от географической долготы их местопроизрастания, что может быть связано с послеледниковой миграцией ели и её гибридизацией. Впервые описано явление, вероятно представляющее собой гетероплазмию митохондриального генома ели.
Практическая значимость работы. По результатам исследования генетического разнообразия естественных популяций ели на территории ВосточноЕвропейской равнины обнаружены перспективные для дальнейшего исследования популяции ели. Показано, что клоновые плантации ели европейской также заключают в себе, хоть и меньшую, генетическую изменчивость.
Методология и методы исследования. Методология базируется на
комплексной оценке генетического разнообразия, заключающейся в исследовании
как естественных, так и искусственных популяций ели европейской. Для
исследования генетического разнообразия популяций ели европейской
применялись RAPD-маркёры. Для некоторых исследуемых популяций были произведены исследования по 2-му интрону митохондриального гена Nad 1. Это было сделано для предварительного определения видов ели в популяции (Picea abies (L.) Karst. или Picea obovata Ledeb.).
Для клоновой плантации ели (Иматра), был рассчитан показатель
неоднородности (генетических расстояний) и построена дендрограмма. Для семей,
произрастающих в клоновой плантации ели, были определены значения
фенотипического варьирования по таким биометрическим показателям как
диаметр ствола на высоте груди, высота ствола, объём ствола, средняя ширина
ранней и поздней древесины, процент поздней древесины, а также средняя ширина
годичного кольца, плотность ранней и поздней древесины, и средняя плотность
древесины годичного кольца. На основании полученных значений
фенотипического варьирования для вышеобозначенных признаков, была исследована зависимость между ними и генетическим варьированием по результатам RAPD-праймеров.
Оценка генетического разнообразия по сравнительно доступному для
измерения фенотипическому признаку (диаметру), была произведена для
испытательных лесных культур ели европейской, созданных семенами
селекционных категорий «нормальные» и «селекционно-улучшенные».
Фенотипическое разнообразие оценивается по значению стандартного отклонения
для диаметра ствола. При этом оценивается как общее варьирование популяции, так и уровень варьирования по диаметру отдельных семей плюсовых деревьев и контроля.
Положения, выносимые на защиту:
-
Естественные популяции ели на территории Восточно-Европейской равнины характеризуются различным уровнем генетического разнообразия;
-
Генетическое разнообразие естественных популяций ели, исследуемых в настоящей работе, связано с их географическим местопроизрастанием;
-
Вероятное наличие гетероплазмии в митохондриальном гене Nad 1 в Вепсской популяции ели;
-
Клоновые плантации ели также показывают генетическую изменчивость.
-
Селекционные мероприятия не приводят к сужению генетического разнообразия в испытательных культурах ели, представленных полусибсовым потомством.
Обоснованность и достоверность результатов. Достоверность результатов была обеспечена репрезентативным объёмом выборки для каждой популяции. При работе с гетероплазмией – поигольным выделением ДНК деревьев, у которых была обнаружена гетероплазмия. Также достоверность полученных результатов была обеспечена применением общепринятых методов и специализированных программ для обработки полученных данных.
Апробация. Результаты научных исследований представлены на VIII
Московском международном конгрессе «Биотехнология» (Москва, 2015); III
международной конференции «Генетика, геномика, биоинформатика и
биотехнология растений» (Новосибирск, 2015); международной научно-
практической конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2015);
международной научной конференции, посвященной 80-летию со дня рождения
академика Ю.П. Алтухова (1936 – 2006) и 45-летию основания лаборатории
популяционной генетики им. Ю.П. Алтухова ИОГен РАН (Москва, 2017).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи в реферируемых журналах рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Личный вклад автора. Представленные в диссертации данные на 80% обработаны и проанализированы автором. Автор выделил ДНК и провел лабораторные исследования методом генетического анализа, основанного на ПЦР с RAPD-праймерами, обработал полученные материалы, изложил и обобщил результаты.
Работа в рамках финансируемых НИР. Часть диссертационных работ выполнялись при финансовой поддержке гранта РФФИ № 14-04-01418, научного проекта № 37.1521.2014/K Минобрнауки РФ, стипендии фонда the Heikki Vnnen Fund Университета Восточной Финляндии, проекта FORBIO (№. 14970) Академии Наук Финляндии.
Благодарности. Автор выражает благодарность своему научному
руководителю д.с.-х.н., профессору А. В. Жигунову, д. б. н. Потокиной Е. К. и д.с.-
х.н., профессору Хели Пелтола (Университет Восточной Финляндии) за их помощь в течение процесса написания диссертации.
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы, включающего 79 наименований, из них 55 на иностранных языках. Текст диссертации изложен на 102 стр., включая 15 таблиц, 15 рисунков и 27 приложений.
Исторический аспект проблемы сокращения генетического разнообразия
Очевидно, что человек существует в тесной связи с окружающим его миром. Эта связь прослеживается в различных религиях, в разнообразных фольклорных произведениях, в традиционных укладах жизни, исследуется в науке. Земледелие, скотоводство, охота и ловля рыбы, обеспечивающие потребность человека в пище, напрямую связаны с миром живой природы. Строительство необходимых для человека объектов (жилища, например) невозможно без изъятия сырья из естественных, природных образований, будь то древесина, камень, или доломит для производства цемента. Вышеприведенные примеры призваны крайне обще, но, тем не менее, достаточно убедительно проиллюстрировать зависимость и обусловленность жизни человека и, соответственно, человечества от окружающего мира.
Деятельность человека по удовлетворению своих потребностей порождала конфликты на различных уровнях: личностном, межличностном, социальном в рамках одного государства и между государствами – все они получили достаточно широкое освещение. Примером этому служит большое количество разнообразных исторических источников, произведений искусства (например, поэзия, живопись и т.д.), религиозных трудов, также содержащих в себе примеры различных конфликтов и способов их избегания и решения [Дестунис (переводчик) и Плутарх, 2017; Игоревский (переводчик) и Цезарь, 2013; Юсим (переводчик) и Макиавелли, 2017]. При этом, лишь сравнительно недавно широкую известность и освещение получил не менее древний конфликт интересов человека и «интересов» окружающей его природы, который в одном из его аспектов был сформулирован как «утрата генетического разнообразия». Данная проблема не существует сама по себе: сегодня она идет в тесной связи с загрязнением окружающей среды и антропогенным преобразованием ландшафтов [Добровольский, 2008; Лисица, 2013; Cleary и др., 2006; Deng и др., 2007; Eeva и др., 2006; Ma и др., 2000].
Изначально проблема утраты генетического разнообразия не выражалась напрямую, а через осознание проблемы сокращения видового разнообразия. Автор считает, что начало в развитии осознания данной проблемы в том виде, в каком она существует сейчас, было положено докладом «Всемирная охрана природы» натуралиста и путешественника Поля Саразина на VIII Международном зоологическом конгрессе 10 августа 1910 года [Абашидзе и Солнцев, 2006]. В докладе ученый, рассказав об угрозе исчезновения китов при использовании новых технологий по охоте и ускоренной переработке китовых туш, направленных на увеличение денежной прибыли, призвал к немедленному объединению государств для международной охраны природы. В результате на Конгрессе был создан временный Комитет, куда вошли 14 зоологов из стран Европы, Азии и Америки.
Данный Комитет в течение трех лет вел организационно-подготовительную работу, результатом которой стала Бернская конференция по международной охране природы. Она состоялась 4 – 6 ноября 1913 г. В здании Союзного Парламента Швейцарии. В Конференции участвовали представители 17 государств: Швейцария, Франция, Германия, Бельгия, Венгрия, Нидерланды, Австрия, Аргентина, Великобритания, Дания, Испания, Италия, Норвегия, Россия, Португалия, США и Швеция. Россию представляли Иван Парфеньевич Бородин и Григорий Александрович Кожевников. Румыния и Япония от участия в конференции отказались [Абашидзе и Солнцев, 2006]. Основным вопросом, обсуждавшимся на Конференции, было создание постоянной Международной комиссии по охране природы, в предмет ведения которой предлагалось включить следующее: международная охрана флоры и фауны, сохранение биологического разнообразия, охрана исчезающих видов флоры и фауны и международная поддержка устроения природных заповедников. Также предлагалось распространить деятельность Комиссии на охрану ландшафтов и охрану исчезающих человеческих племен, последний пункт был поддержан лишь П. Саразином и Г. А. Кожевниковым. Первая Мировая Война заглушила многие передовые на тот момент природоохранные планы, однако усилия международного сообщества по созданию межгосударственного органа в сфере охраны окружающей среды не прошли даром.
Так, в 1922 г., появился Международный совет по охране птиц, в 1923 г. было учреждено Международное общество по охране зубра, в 1929 г. – Постоянный комитет по охране природы Тихого океана, а в 1935 г. в Брюсселе возникло Международное бюро по охране природы, в задачи которого входило ведение реестра национального природоохранного законодательства и национальных парков и заповедников. Бюро, однако, широкого признания не получило [Абашидзе и Солнцев, 2006].
Таким образом, был дан толчок развитию исследований в данном направлении и международного природоохранного права, что является признанием важности сохранения различных форм жизни на Земле.
В конце 1940-х гг. состоялось два события международного масштаба: 5 октября 1948 г. в Фонтенбло (Франция) прошла Учредительная ассамблея Международного союза охраны природы (МСОП) (англ. UCN, International Union for Conservation of Nature), а 22–29 августа 1949 г. была проведена первая Международная научно-техническая конференция по охране природы (Лейк-Саксесс, г. Нью-Йорк, США). Автор затрудняется дать оценку данным конференциям.
Состоявшаяся в 1972 Стокгольмская конференция лишь косвенным образом повлияла на эволюцию сознания в области проблемы утраты генетического разнообразия. Любопытно, что некоторыми отечественными учеными в эти годы уже осознавалась острота проблемы сохранения генетического разнообразия [Алтухов и Рычков, 1970]. Однако, по мнению Ю. П. Алтухова, данное сознание не было востребовано вплоть до Конференции в Рио-де-Жанейро 1992 года [Алтухов, 2004].
В качестве причин проведения Стокгольмской конференции согласно Цверианашвили (2016), можно выделить следующие: Швеция, Великобритания, США, Канада и ряд других стран создали организации по решению проблем окружающей среды и внесли изменения в национальные законодательства [Miljskyddslag, 1969], активизировали международное сотрудничество. Европейские страны, к примеру, были озабочены проблемой кислотных дождей, а Япония была заинтересована в сокращении вредных промышленных выбросов [Ivanova, 2007]. Во-вторых, мировое общественное мнение также требовало проведения подобной конференции, – работы Р. Карсон [Carson и др., 1962] (1907– 1964), М. Николсона [Nicholson, 1970] (1904– 2003) и доклад Римского клуба «Пределы роста» [Meadows, 1972] стали основой движений за экологизацию по всему миру.
Кроме того, не обошлось без политических интриг: представители Советского Союза в ООН выразили решительный протест и недовольство отстранением от участия в конференции ГДР [Kannan, 2012], о чём было публично заявлено. Кроме того, советские дипломаты воздержались от одобрительных комментариев в адрес содержания итоговых документов [Sohn, 1973]
Следующим этапом в развитии осознания проблемы утраты генетического разнообразия считается Конференции в Рио-де-Жанейро 1992 года, которая дала рождение такому документу как «Конвенция о биологическом разнообразии» (КБР) [Конвенция о биологическом разнообразии, 1992]. Автор находит заслуживающим внимания тот факт, что в изначальном определении биоразнообразия, представленного в тексте конвенции, отсутствовало генетическое разнообразие. В дальнейших отчетах по реализации Конвенции (например, в Глобальной перспективе в области разнообразия 3) определение биологического разнообразия уже включает в себя генетическое разнообразие как подвид биологического. К сожалению, отчёты, публикуемые в рамках программы по реализации данной конвенции, затрагивают генетическое разнообразие лишь сельскохозяйственно-значимых видов растений и животных [Глобальная перспектива в области разнообразия 3, 2010; Глобальная перспектива в области разнообразия 4, 2014].
Методика оценки фенотипического варьирования для семей в клоновой плантации ели европейской в Иматре
Для семей ели европейской, произрастающих в клоновой плантации в Иматре, весной 2015 года была произведена рубка модельных деревьев в количестве от 9-ти до 10-ти на семью. В настоящем исследовании приводятся данные для 5-ти клоновых семей, представленных в таблице 2.7. У модельных деревьев были произведены замеры диаметра ствола на высоте груди (1,3 м), высоты ствола, и диаметра ствола на высоте 6-ти метров с целью расчёта объема ствола по формулам Laasasenaho (1982) (см. формулу 3).
V = 0.208043 Dj3 - 0.0149567 Dj3 Н- 0.000114406 Dj3 Н
+0.000436781 Dl3 Н2 + 0.133947 (DJ3 + D1 3 D6 + Df) (3)
+0.0374599 Df (H -6)
Где V - объем ствола модельного дерева, D13 - диаметр ствола модельного дерева на высоте груди, D6 - диаметр ствола модельного дерева на высоте 6 м, Я-высота ствола модельного дерева.
На основании полученных таким образом биометрических данных, для каждого генотипа было рассчитано среднее значение и среднеквадратическое отклонение по диаметру, высоте и объёму ствола. Как уже было указано в разделе 2.6, фенотипическое разнообразие оценивается по значению такого показателя варьирования, как стандартное отклонение.
Также со стволов модельных деревьев были выпилены диски толщиной 7-10 см для дальнейшего анализа их плотности древесины и анатомии древесины. Отбор дисков осуществлялся на высоте груди (рисунок 2.7.1).
Для измерения плотности древесины у модельных деревьев, из вышеупомянутых дисков двойной циркулярной пилой были выпилены радиальные сегменты 5 мм 5 мм в поперечном сечении (рисунок 2.7.2). Полученные таким образом образцы содержались в сушильном шкафу до тех пор, пока их влажность не достигла 12 %. Затем, у полученных образцов была измерена плотность древесины посредством прямого сканирования с использованием прибора ITRAX X-ray microdensitometer (Cox Analytical Systems, Gteborg, Sweden) [Jacquin и др., 2017], сканирующего древесину посредством рентгеновского излучения (рисунок 2.7.3).
В ITRAX применяется автоматическое коллиматорное выравнивание [Bergsten и др., 2001] при геометрическом разрешении 40-ка измерений на 1 мм, т.е. каждое измерение осуществляется через 0.025 мм длины образца. На основании предыдущих работ [Zubizarreta Gerendiain и др., 2007] мы использовали стандартную интенсивность рентгеновского излучения (30 кВ, 35 мА) для измерений. Время экспозиции для измерений составляло 20 мс.
Полученные в результате измерения радиографические изображения были проанализированы пакетом Density Profile Analysis Package для Excel (Microsoft, Redmond, Washington) с целью определения профилей плотности древесины для годичных колец от сердцевины ствола к коре. Затем, для каждого годичного кольца посредством Excel макроса были определены следующие параметры: ширина годичных колец (мм), ширина (мм) и процент ранней и поздней древесины в годичных кольцах. Для разграничения ранней и поздней древесины в годичном кольце, были определены значения максимума и минимума плотности древесины в годичном кольце, на основании которых определялось среднее значение плотности древесины в годичном кольце. В настоящем исследовании, среднее значение плотности древесины в годичном кольце ( ) было условно принято за границу между ранней (меньше среднего) и поздней (больше среднего) древесинной.
На основании значений ширины ранней и поздней древесины для модельных деревьев были рассчитаны значения средней средневзвешенной плотности древесины, а также средневзвешенной плотности ранней и поздней древесины. Для значений ширины и плотности ранней древесины, поздней древесины, ширины и плотности годичного кольца, процента поздней древесины, для исследуемых генотипов были рассчитаны средние значения, а также значения среднеквадратических отклонений. Как и для значений диаметра, высоты и объёма ствола, фенотипическое разнообразие оценивается по значению такого показателя варьирования, как стандартное отклонение.
Сопоставление фенотипического и генетического варьирования для исследуемых генотипов с клоновой плантации ели европейской (Иматра)
Согласно данным, полученным в результате применения RAPD-маркеров, наибольшее генетическое разнообразие наблюдается у генотипа V455 (0.67). За ним в порядке убывания показателя генетического разнообразия следуют генотипы V456 (0.60), V302 (0.60), V43 (0.60) и V332 (0.20). Данные представлены в таблице 3.6.1.
Одна из задач исследования заключается в том, чтобы по возможности определить фенотипический признак или признаки, варьирование которых хорошо коррелирует со значениями генетического разнообразия, полученных с использованием RAPD-маркеров. Для решения данной задачи был применён регрессионный анализ.
Для таких фенотипических признаков как диаметр ствола на высоте груди, высота и объём ствола, в настоящей работе не было обнаружено статистически достоверной зависимости между стандартным отклонением для данных фенотипических признаков и показателя генетического разнообразия, полученного по результатам RAPD-маркеров (Таблица 3.6.2). В настоящей работе, наименьший показатель коэффициента детерминации наблюдается у стандартного отклонения по объёму ствола (Таблица 3.6.2). Наибольший показатель коэффициента детерминации наблюдается для среднеквадратического отклонения по высоте ствола, который несопоставимо больше, чем для среднеквадратического отклонения по диаметру и объёму ствола.
Для таких параметров, средняя толщина ранней и поздней древесины в годичном кольце, средний процент поздней древесины в годичном кольце и средняя толщина годичного кольца, в настоящей работе не было обнаружено статистически достоверной зависимости между стандартным отклонением для данных фенотипических признаков и показателя генетического разнообразия, полученного по результатам RAPD-маркеров (Таблица 3.6.3). В настоящей работе, наименьший показатель коэффициента детерминации наблюдается таких показателей, как стандартное отклонение по средней ширине ранней древесины и средней ширине годичного кольца (R2 = 0.04) (Таблица 3.6.3). Несколько более высокое значение коэффициента детерминации показывает модель, в которой применяются значения стандартного отклонения по средней ширине поздней древесины (R2 = 0.09) (Таблица 3.6.3). Наибольший же показатель коэффициента детерминации наблюдается для среднеквадратического отклонения по значениям процента поздней древесины в годичном кольце (R2 = 0.11): данное значение сопоставимо с показателем коэффициента детерминации для модели, в которой применяются значения стандартного отклонения по средней ширине поздней древесины (R2 = 0.09) (Таблица 3.6.3). Таким образом, можно предположить, что трансформация абсолютных значений ширины поздней древесины в значения относительные (процент или доля поздней древесины в годичном кольце) может обладать большим потенциалом для описания генетического разнообразия.
Учитывая особенность выборки, на основе которой произведено исследование, можно лишь рекомендовать проведение дальнейших, более фундаментальных, исследовательских работ в данном направлении, с целью подтверждения или опровержения достоверности для приведённого выше наблюдения.
Для таких параметров, средняя плотность ранней и поздней древесины в годичном кольце и средняя плотность древесины годичного кольца, в настоящей работе не было обнаружено статистически достоверной зависимости между стандартным отклонением для данных фенотипических признаков и показателя генетического разнообразия, полученного по результатам RAPD-маркеров (Таблица 3.6.4). В настоящей работе, наименьший показатель коэффициента детерминации наблюдается для стандартного отклонения по значению средней плотности ранней древесины (R2 = 0.045) (Таблица 3.6.3). Наибольшее значение коэффициента детерминации наблюдается для стандартного отклонения по значению средней плотности поздней древесины (R2 = 0.292) (Таблица 3.6.3).
Коэффициент детерминации для средней плотности древесины годичного кольца занимает промежуточное положение – R2 = 0.083.
Полученные в результате регрессионного анализа данные указывают на то, что различные фенотипические признаки и генетическое разнообразие клоновых семей ели европейской сочетаются не одинаково.
Фенотипическая изменчивость таких признаков, как диаметр ствола, ширина ранней древесины, процент поздней древесины и ширина годичного кольца, имеет негативную зависимость от генетического разнообразия для представленных в настоящей работе данных. Примечательно, что перечисленные параметры, за исключением процента поздней древесины, характеризуются относительно низким показателем коэффициента детерминации.
Это также может быть связано с тем, что плотность древесины, например, имеет более сильный генетический контроль и менее зависит от условий окружающей среды, в то время как скорость роста – наоборот, имеет более выраженный контроль со стороны окружающей среды [Hannrup и др., 2004; White и др., 2007].
В то же время, фенотипическая изменчивость таких признаков, как высота ствола, объём ствола, ширина поздней древесины, плотность ранней и поздней древесины и плотность древесины годичного кольца, имеет положительную зависимость от генетического разнообразия для представленных в настоящей работе данных. При этом, значения коэффициентов детерминации наиболее высоки для высоты ствола (R2 = 0.234) и плотности поздней древесины (R2 = 0.292). Учитывая то, что значение коэффициента корреляции между этими двумя параметрами можно считать низким (rp = 0.21) (Таблица 3.6.5), фенотипическое варьирование высоты ствола и фенотипическое варьирование плотности поздней древесины представляют интерес для дальнейшего исследования с целью определения их пригодности для оценки генетического разнообразия в клоновых лесосеменных плантациях без применения дорогостоящих молекулярно-генетических методов.
Полученные в настоящей работе результаты строятся на применении 3-х RAPD-маркеров, обладающих различной степенью фиксации полиморфизма в геноме. Увеличение числа маркеров или применение более полиморфных маркеров может повлиять на зависимости между варьированиями фенотипических признаков и генетическим варьированием. Это, в свою очередь, может повлиять на рекомендации, приведённые в настоящей работе. Кроме того, для молекулярно генетического анализа были использованы деревья, не учувствовавшие в анализе фенотипических признаков. Данная особенность в методике исследования вносит риски несоответствия фенотипического и генетического варьирований. Также доля различных генотипов в семье зависит от количества отобранных деревьев на семью. В связи с этим семья V455 возможно показывает несколько завышенное значение генетической изменчивости. Отсутствия статистически значимых зависимостей между показателями фенотипической изменчивости для исследуемых фенотипических признаков может быть связано с относительно малым числом семей в анализе. Автору также пришлось отказаться от идеи сопоставления генетического разнообразия исследуемых семей с географическим происхождением родительских деревьев. Это связано с тем, что широта и долгота места происхождения материнского и отцовского деревьев изменяются одновременно.
Следовательно, в условиях настоящего эксперимента невозможно отделить происхождение отцовского родительского дерева от материнского с точки зрения влияния на генетическое разнообразие.
Практическое применение результатов исследования
Проблема генетического разнообразия при создании селекционно-улучшенного посадочного материала, и, таким образом – насаждений, возникает из того, что «задачи» естественного обора и задачи искусственного отбора различны. Естественный отбор имеет громадные масштабы даже в пределах небольшой популяции, где абсолютно каждая особь проходит испытание множеством различных факторов, и способствует сохранению и размножению генотипов наиболее приспособленных особей. Искусственный отбор, проводимый человеком, безусловно, пользуется результатами естественного отбора, однако при этом вносит коррективы на интересующие человека качества под воздействием ряда факторов: социальных, экономических, политических и т. д. Селекционерами велись работы на скорость роста, на устойчивость к различным заболеваниям и вредителям, на плотность древесины и повышение декоративности её текстуры, на повышение урожайности и т. п.
В связи с тем, что земельные ресурсы ограничены, – с экономической точки зрения не целесообразно занимать их под какие-либо низкоэффективные насаждения, даже если это будет способствовать росту эволюционного потенциала. Для этого есть естественные насаждения. Таким образом, предназначенные под лесовосстановление и лесоразведение земли будут заняты селекционно-улучшенными насаждениями в силу указанных выше причин.
В результате проведения человеком селекции, лучше всего сохраняются генотипы, имеющие для него хозяйственно-ценное значение. Однако селекционеры сознают то, что выбракованные ими за хозяйственной и научной ненадобностью генотипы могут быть критически важными в случае возможных климатических изменений [Lipow и др., 2003]. Кроме того до конца не известна и потенциальная хозяйственная ценность отбракованных генотипов. Однако признано то, что генетическое разнообразие само по себе может быть хозяйственно-ценным: оно является залогом устойчивой селекции [Политов, 2008]. Для реализации задач искусственного отбора разрабатываются специальные селекционные программы. Первостепенной задачей селекционных программ является увеличение частоты желаемых аллелей в выращиваемой популяции. В то время как селекционерам известны признаки, которые нужно улучшить, далеко не всегда известны какие именно аллели (гены) благоприятно влияют на эти признаки, и как интересующие аллели распространены в природных популяциях. При выращивании также необходимо поддерживать достаточный уровень генетической изменчивости для получения продолжительного выигрыша в течение нескольких поколений. Осложняющим фактором является то, что вызывающие интерес качества растений могут со временем изменяться. По сути, это означает, что селекционерам необходимо решать как долгосрочные, так и краткосрочные задачи [Johnson и др., 2001].
Краткосрочные задачи обычно включают в себя получение устойчивого выигрыша по определённым интересующим качествам в течение нескольких первых генераций при сохранении хорошо приспособившихся деревьев. Долгосрочные задачи включают в себя сохранение низкочастотных (редких) аллелей и контроль инбридинга.
Более того, комплиментарное взаимодействие неаллельных генов значительно увеличивает степень неопределенности при проведении селекционных мероприятий. То есть наличие или отсутствие одного гена в ДНК древесной породы может гипотетически привести к различным изменениям в процессе синтеза белков. Таким образом, сегодня ещё невозможно точно прогнозировать развитие популяций и последствий проводимой человеком селекции.
Если размер популяции не бесконечен – происходит процесс утраты аллелей. Этот процесс протекает в природе непрерывно. Вероятность сохранения нейтральных аллелей есть функция от исходной частоты аллели и действительного размера популяции. Так различные исследователи предложили для определённых заданных частот нейтральных аллелей размеры популяций, при которых первые будут сохранены в размере одной копии на популяцию с вероятностью 95 % (см. табл. 3.8).
Практически же приведённые в таблице 4 цифры должны быть увеличены [Johnson и др., 2001]
Автор также считает полезным привести довольно наглядную и понятную концепцию Роланда Бурдона, отражающую роль бридинговой популяции в управлении генетическими ресурсами (см. рис. 3.8). Данная схема показывает, как в результате проведения отбора, закрепления хозяйственно-ценных признаков и выведении элитных сортов семян сужается генетическое разнообразие. Согласно этой концепции промышленные (производственные) популяции обладают наименьшим уровнем генетической изменчивости в силу их специализированности, в то время как естественные популяции, или популяции-источники генетических ресурсов, обладают большим запасом генетической изменчивости, чем остальные.
На основании данных, приведённых в настоящем исследовании, можно сказать, что семьи клоновых генотипов обладают значительно меньшей генетической изменчивостью, чем естественные популяции, если рассматривать каждую семью по отдельности. При увеличении же количества семей в выборке, генетическая изменчивость в выборке может (но не обязательно) возрастать. Таким образом может возникнуть ситуация, когда формально генетическое разнообразие лесных культур, представленных семьями клонов, будет высоким при низком разнообразии внутри семей. Автор сомневается, что увеличение разнообразия клоновых генотипов в культурах положительно скажется на устойчивости таких культур. Таким образом, можно сделать вывод, что насаждения, представленные клоновыми генотипами никаким образом не смогут заменить естественные насаждения с точки зрения поддержания эволюционного потенциала.