Введение
Сибирский абрикос (Prunus sibirica L.) – листопадное дерево или крупный кустарник, ареал которого простирается от гор Восточной Сибири через Монголию до северных и северо-восточных районов Китая. Этот вид выделяется исключительной устойчивостью к абиотическим стрессам: он переносит морозы, длительные засухи и способен расти на бедных каменистых почвах. Благодаря этим качествам сибирский абрикос широко используется в защитном лесоразведении для борьбы с опустыниванием, а его семена служат сырьём для получения пищевого и косметического масла, а также биодизеля.
Несмотря на своё название, сибирский абрикос чувствует себя в Китае как дома: обширные заросли этого деревца покрывают горные склоны Внутренней Монголии, Ляонина и Хэбэя. Местные жители иногда называют его «сибирским персиком» за внешнее сходство плодов и поистине сибирскую морозостойкость. Однако за этой кажущейся простотой и неприхотливостью скрывается сложнейшая генетическая история, расшифровать которую взялись исследователи из Пекинского лесного университета.
Однако генетическая структура и уровень разнообразия природных популяций P. sibirica на территории Китая долгое время оставались неизученными. Между тем, антропогенное давление, фрагментация местообитаний и вспышки численности вредителей создают реальную угрозу сокращения генофонда вида. Для разработки научно обоснованных стратегий сохранения и селекции необходимы точные данные о распределении генетической изменчивости в ареале.
Исследователи из Пекинского лесного университета провели масштабный популяционно-генетический анализ сибирского абрикоса в Китае, результаты которого были опубликованы в журнале PLoS ONE в 2014 году.
Дизайн исследования
Образцы листьев от 672 индивидуумов из 22 природных и полуприродных популяций, охватывающих практически весь ареал вида на территории КНР. Географический размах составил около 18 градусов по долготе и 6 градусов по широте (от 40° до 46° с.ш.), а высотный диапазон – от 87 до 1334 м над уровнем моря. Популяции были сгруппированы в шесть географических регионов: горы Яньшань, Большой Хинган, холмы Западного Ляонина, Северо-Восточная равнина, Линькоу и горы Дациншань.
Для генотипирования использовали ядерные микросателлитные маркеры (nSSR). Микросателлиты (SSR) обладают высоким полиморфизмом и равномерно распределены по геному, что делает их оптимальным инструментом для оценки генетического разнообразия и популяционной структуры.
Амплифицированные фрагменты разделяли на автоматическом ДНК-анализаторе ABI 3730XL, а размеры аллелей определяли с помощью программного обеспечения GeneMarker. Все редкие и приватные аллели были повторно амплифицированы и секвенированы для подтверждения их подлинности.
Высокий уровень генетического разнообразия и парадокс дефицита гетерозигот
Анализ 31 локуса выявил в общей сложности 599 аллелей, из них 207 (34,6%) оказались редкими (частота <1%). Число аллелей на локус варьировало от 5 до 33, составляя в среднем 19,3. Это чрезвычайно высокий показатель для древесных растений, сопоставимый с наиболее полиморфными видами.
Ожидаемая гетерозиготность (HЕ) по всем локусам составила 0,774, что существенно превышает значения, известные для культурного абрикоса (P. armeniaca L., HE≈0,62) и дикого миндаля (Amygdalus nana L., HE≈0,22). Наблюдаемая гетерозиготность (HO) оказалась заметно ниже – 0,639. Разница между HE и HO отражается в положительных средних значениях коэффициентов инбридинга: внутрипопуляционный Fis = 0,111, общий FIT = 0,173. Это указывает на статистически значимый дефицит гетерозигот.
Причина этого явления, по-видимому, кроется в особенностях репродуктивной биологии вида. Сибирский абрикос – облигатный перекрёстник с гаметофитной самонесовместимостью, что исключает самоопыление. Однако ограниченный поток пыльцы и семян в пределах изолированных популяций может приводить к скрещиванию между родственными особями (бипарентальный инбридинг). Дополнительным фактором может выступать эффект Валунда – объединение в одну выборку особей из генетически дифференцированных субпопуляций.
Четыре генетических кластера и отсутствие изоляции расстоянием
Байесовский кластерный анализ с использованием программы STRUCTURE позволил выделить четыре основных генетических кластера (K=4). Средние значения коэффициента принадлежности (ancestry) для каждого кластера превышали 0,90, что указывает на чёткую генетическую дифференциацию групп. При этом около 10–13% особей в каждом кластере демонстрировали смешанное происхождение (ancestry <0,60), что свидетельствует о наличии потока генов между кластерами.
Интересно, что географическое распределение кластеров лишь частично совпадает с физическими границами регионов. Например, кластер C1 объединил популяции из Западного Ляонина, а C3 – обширную группу от Внутренней Монголии до Северо-Восточной равнины. Однако в ряде случаев популяции, разделённые сотнями километров, оказались генетически близкими, тогда как соседние популяции могли принадлежать к разным кластерам.
Количественно эта закономерность подтверждается результатами теста Мантеля: корреляция между генетическими дистанциями (оценёнными как FST/(1−FST)) и географическими расстояниями оказалась статистически незначимой (r=0,4651, p=0,9940). Это означает, что классическая модель изоляции расстоянием для сибирского абрикоса в Китае не работает.
Вероятными причинами являются:
- перенос семян грызунами-запасателями (полёвки, мыши) на большие расстояния;
- исторические изменения ареала в плейстоцене (ледниковые рефугиумы и последующая экспансия);
- антропогенное расселение (сбор и транспортировка семян местным населением).
Периферийные изоляты и генетические барьеры
Наименьший уровень генетического разнообразия зафиксирован в популяциях P16 (горы Дациншань, HO=0,564 и P21 (высокогорья Яньшаня, HO=0,558). Обе расположены на периферии ареала и характеризуются повышенным числом приватных аллелей (3 и 4 соответственно). Анализ генетических барьеров с использованием алгоритма Монмонье (программа BARRIER) выделил эти популяции как изолированные от основного массива. По-видимому, длительное существование в условиях ограниченного потока генов привело к обеднению генофонда и накоплению уникальных аллельных вариантов. Такие маргинальные популяции представляют особую ценность для сохранения in situ, поскольку могут нести редкие адаптивные аллели.
Сравнение диких и полудиких популяций: человек пока не навредил
Из 22 изученных популяций три (P2, P7 и P17) были классифицированы как «полудикие» – деревья, произрастающие на участках, где в прошлом проводился посев семян местного происхождения без целенаправленной селекции. Сравнительный анализ показал, что дикие (n=580) и полудикие (n=92) группы практически не различаются по уровню генетического разнообразия (HO 0,638 против 0,643; HЕ 0,773 против 0,770). Единственное заметное различие – большее число редких аллелей в дикой группе (152 против 11), что объясняется разницей в объёме выборки.
Этот результат важен в практическом отношении: он свидетельствует, что современная практика стихийного «окультуривания» (посев семян, собранных в окрестных лесах) пока не привела к эрозии генофонда вида. Однако дальнейшее расширение плантаций без контроля происхождения посадочного материала может изменить эту ситуацию.
Заключение
Исследование представляет собой наиболее полный на сегодняшний день анализ генетической структуры сибирского абрикоса в Китае.
Основные выводы:
- Вид характеризуется высоким уровнем генетического разнообразия, что создаёт благоприятные предпосылки для селекции.
- Выявлен дефицит гетерозигот, требующий дальнейшего изучения репродуктивной биологии и пространственной структуры популяций.
- Популяции разделены на четыре генетических кластера, причём географическая близость не является надёжным предиктором генетического сходства.
- Маргинальные популяции-изоляты (P16, P21) являются приоритетными объектами для сохранения.
- Современная хозяйственная деятельность не оказала значимого негативного влияния на генофонд вида.
Полученные данные служат научной основой для разработки стратегий сохранения генетических ресурсов P. sibirica и целенаправленной селекции сортов с улучшенными хозяйственными признаками, в частности – с отсроченным цветением для избежания весенних заморозков.
Ссылка на источник: Wang Z. et al. High-level genetic diversity and complex population structure of Siberian apricot (Prunus sibirica L.) in China as revealed by nuclear SSR markers //PloS one. – 2014. – Т. 9. – №. 2. – С. e87381.