The role of environmental factors in the formation of the genetic structure of P. аbies populations

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Ель европейская (Picea abies (L.) Karst.) занимает обширные пространства в континентальной Европе. Этот вид имеет большое средообразующее и хозяйственно-экономическое значение. Ель является одной из главных лесообразующих пород природных комплексов лесной зоны умеренного пояса Северного полушария планеты [1]. Популяции хвойных, как и многих других древесных растений с непрерывным ареалом распространения, характеризуются высоким уровнем внутрипопуляционного генетического разнообразия по сравнению с уровнем межпопуляционных различий [2]. Это связано с большим эффективным размером популяций и высоким генным обменом, обусловленным перекрестным опылением, эффективными механизмами распространения пыльцы и семян и продолжительным жизненным циклом [3, 4]. Как правило, более 90 % всей генетической изменчивости древесных растений приходится на долю внутрипопуляционной изменчивости. При этом считается, что основная часть межпопуляционных различий возникает вследствие автогенетических процессов, приводящих к эффекту так называемой изоляции расстоянием [5]. Роль других факторов, которые потенциально способны обеспечить дифференциацию популяций, остается недооцененной [6]. Одним из таких важнейших факторов являются различия в экологических условиях местообитания локальных популяций одного и того же вида. Последнее время для разных видов растений появляется все больше указаний на определяющую роль экологической гетерогенности среды обитания в структуре их генетической дифференциации по сравнению с классическим эффектом «изоляции расстоянием» [6–8].

Целью данной работы является определение влияния экологических факторов на дифференциацию популяций P. abies в сравнении с влиянием гео графического положения. В задачи работы входило: 1) определить генетическое разнообразие природных популяций ели с помощью SSR-маркеров; 2) установить влияние географического расстояния на генетическую дифференциацию P. abies; 3) установить влияние экологических условий произрастания на генетическую дифференциацию P. abies.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектом для исследования послужили 20 ценопопуляций P. abies из четырех удаленных друг от друга географических районов (табл. 1): 1 — район Ослофьерда (Норвегия); 2 — заповедник «Брянский лес» (Брянская область); 3 — среднее течение реки Луга (западная часть Ленинградской области); 4 — резерват «Вепсский лес» (восточная часть Ленинградской области). В дальнейшем данные локальные популяции будут обозначаться соответственно «Норвегия», «Брянск», «Луга» и «Вепсский лес».

 

Таблица 1. Географические координаты исследованных локальных популяций P. abies и кратчайшие попарные расстояния между ними Geographical coordinates of the P. abies local populations and the shortest pairwise distances between them

Популяция	Широта (с. ш.)	Долгота (в. д.)	Расстояние, км
			«Брянск»	«Норвегия»	«Луга»
«Брянск»	52°25’46’’	33°48’30’’	–	–	–
«Норвегия»	59°19’28’’	10°35’46’’	1627	–	–
«Луга»	58°56’37’’	29°47’52’’	767	1093	–
«Вепсский лес»	60°15’35’’	34°48’53’’	873	1352	318

 

В пределах локальной популяции каждого из четырех географических районов было выделено и описано по нескольку ценопопуляций P. abies, произрастающих в различных экологических условиях. Основным экологическим фактором, по которому проводилось разделение ценопопуляций на группы, был выбран фактор почвенно-гидрологического режима местооби тания, поскольку именно он определяет режимы действия других экологических факторов на рост и развитие деревьев P. аbies. Так, в условиях хорошей дренированности местообитания (вследствие как высокой водопроницаемости почв, так и перераспределения рельефом поверхностного водного стока) формируются ельники кисличные и чернично-зеленомошные, отличающиеся относительно высоким богатством почв и флористического состава, а также высокой плотностью и сомкнутостью древостоя. В таких фитоценозах нет застоя влаги в верхних почвенных горизонтах, быстро происходит гумификация опада и общий круговорот вещества, а особи P. abies характеризуются относительно высокими величинами прироста как в высоту, так и по диаметру ствола [9, 10]. На другом конце экологического ряда типов елового леса по условиям увлажнения располагаются ельники сфагновые, характеризующиеся избыточным увлажнением. Это выражается в доминировании в напочвенном растительном покрове сфагновых мхов, в формировании торфяных обводненных бедных почв и в создании максимально неблагоприятных для роста и развития P. abies условий [11]. Сомкнутость и высота древесного яруса в ельниках сфагновых наименьшая из всех типов елового леса, а особи характеризуются наиболее низким приростом по высоте и диаметру ствола.

Совокупность деревьев одного вида на участке леса с однородным характером ведущих экологических факторов, формирующих условия конкретного местооби тания, определяется как ценопопуляция. В каждой локальной популяции (географической точке) выбиралось несколько пар (2–7) контрастных по условиям экотопа ценопопуляций, непосредственно граничащих между собой. В пределах каждой такой пары расстояние между деревьями экологически контрастных ценопопуляций было всегда меньше 600 метров, т. е. ценопопуляции свободно могут обмениваться как пыльцой, так и семенами. В каждом географическом районе расстояние между смежными парами экологически контрастных ценопопуляций никогда не превышало 3 км. В каждой ценопопуляции для анализа отбирали образцы хвои с 20–30 взрослых деревьев. Всего было исследовано 284 дерева.

Исследование генотипической изменчивости внутри различных ценопопуляций осуществляли с использованием анализа полиморфизма ядерных SSR-маркеров (single sequence repeats), рекомендованных для P. abies в качестве высокополиморфных и стабильно амплифицирующихся кодоминантных молекулярных маркеров: SpAC1F7, EAC2C08, EATC1B02, EATC2B02, EATC1E03, EATC2G05, WS0092.A19, WS0073.H08, WS0022.B15, WS00716.F13, WS0016.O09, Pa_28 (12–16). Экстракцию ДНК из засушенной хвои проводили с помощью набора DNeasy 96 Plant Kit (Qiagen, Hilden, Germany). Для амплификации выбранных локусов использовали набор Type-it Microsatellite PCR Kit (Qiagen) и пары праймеров, последовательность которых была опубликована ранее [12–16]. Для предотвращения образования неспецифических продуктов и праймер-димеров применяли ПЦР-программу Touchdown. ПЦР проводили согласно следующему протоколу: 1 цикл 95 °C 10 мин; 7 циклов touch down [95 °C 30 с, (Ta + 7 °C) 30 с, ∆↓1,0 °C, 72 °C 30 с]; 28 циклов амплификации (95 °C 45 с, Ta 45 с, 72 °C 45 с); 1 цикл: 72 °C10 мин [15]. Продукты реакции ПЦР метили флуоресцентными красителями: FAM, HEX, TAMRA. Анализ полученных фрагментов проводили с помощью капиллярного электрофореза на системе MegaBACE1000 (GE Healthcare), используя маркер молекулярного веса size standard MegaBACE ET400 (GE Healthcare). Анализ высоты пиков и длин фрагментов осуществляли с помощью программного обеспечения MegaBACE FRAGMENT PROFILER software ver sion 1.2 (GE Healthcare) и проверяли вручную.

Расчеты показателей внутри- и межпопуляционной изменчивости, генетических расстояний и построение на их основании схем межпопуляционной дифференциации по SSR-локусам проводились в программном пакете GenAlEx 6.5.03 [17]. Для выяснения генетической структуры популяций использовали программу Structure 2.3.4 [18], которая основана на кластеризации по методу Байеса с применением анализа марковских цепей (Markov Chain Monte Carlo (MCMC)). Анализ позволяет разбить весь массив данных на группы (кластеры К) на основании частот аллелей таким образом, что в пределах каждой группы отклонение от равновесия Харди – Вайнберга оказывается минимальным. Анализ проводится много раз (количество пермутаций 1 000 000) и определяется вероятность принадлежности каждого индивида к определенному кластеру (Q-матрица). Достоверность полученных в Structure кластеров проверяли по результатам анализа пермутаций в программе CLUMPP 1.1.2 [19]. Для визуализации кластеров использовали программу DISTRUCT [20].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Общая характеристика SSR-маркеров

С помощью анализа частот встречаемости аллелей 12 локусов (табл. 2) была проведена оценка генетического разнообразиях всей совокупности исследованных деревьев P. abies. Все локусы были полиморфными. Среднее число аллелей на локус по всем популяциям составило 16 и варьировало в диапазоне от 8 (WS0073.Н08 и WS0016.О09) до 29 аллелей (WS00716.F13) (см. табл. 2). Всего было обнаружено 195 разных аллелей. Коэффициент инбридинга Fst варьирует от 0,008 до 0,133 для разных локусов и указывает на незначительную межпопуляционную дифференциацию. Для 10 из 12 локусов наблюдается недостаток гетерозигот. Большая часть генетической изменчивости приходится на внутрипопуляционные различия и только 2 % — на межпопуляционные (табл. 3). Небольшие межпопуляционные различия и высокая внутрипопуляционная изменчивость для P. abies отмечается разными авторами [21, 22].

 

Таблица 2. Список локусов, использованных в исследовании, и их характеристика Characteristics of the microsatellite loci in P. abies used in this study

Локус	Размер  аллелей, п. н.	Число обнаруженных аллелей	Fis	Fit	Fst
SpAC1F7	99–127	17	0,560	0,619	0,133
EAC2C08	121–199	27	0,090	0,105	0,016
EATC1B02	194–224	11	0,373	0,378	0,008
EATC2B02	180–243	23	0,249	0,265	0,022
EATC1Е 03	118–146	11	0,292	0,301	0,013
EATC2G05	190–250	17	0,025	0,038	0,014
WS0022.B15	182–215	18	0,046	0,061	0,016
WS0092.A19	186–236	17	0,081	0,101	0,022
WS0073.H08	197–216	8	–0,087	–0,057	0,028
WS00716.F13	209–259	29	0,134	0,152	0,020
WS0016.O09	393–407	8	0,093	0,127	0,037
Pa 28	153–172	9	–0,084	–0,061	0,021
Среднее		16	0,148 ± 0,055	0,169 ± 0,056	0,029 ± 0,010

 

Таблица 3. Анализ молекулярной изменчивости (AMOVA) на основе 12 SSR-локусов Analysis of molecular variance (AMOVA) at 12 nSSR loci

Коэффициенты инбридинга	Значение	Доля генетических различий (%)
Fst	0,016 ± 0,001	2
Fis	0,151 ± 0,001	15
Fit	0,164 ± 0,001	84

 

Анализ генетических различий между четырьмя локальными географическими популяциями

Данный анализ проводился на основе объединения всех исследуемых деревьев каждого географического района в одну общую группу, т. е. без учета различий в экологических условиях местообитания отдельных ценопопуляций. Таким образом, вся генетическая изменчивость каждой из четырех локальных географических популяций рассматривалась как единое целое. Результаты оценки аллельного разнообразия в 4 локальных популяциях P. abies представлены в таблице 4.

 

Таблица 4. Аллельное разнообразие P. abies в четырех локальных географических популяциях Allelic Patterns for 4 local populations P. abies

Популяция	Среднее число аллелей по ١٢ локусам	Среднее число аллелей с частотой встречаемости более ٥ ٪	Среднее число  уникальных аллелей	Эффективное число аллелей
«Брянск»	9,00 ± 1,36	5,00 ± 0,52	0,25 ± 0,18	4,92 ± 0,86
«Норвегия»	9,92 ± 1,42	5,33 ± 0,62	0,50 ± 0,23	6,16 ± 1,19
«Луга»	13,00 ± 1,67	5,58 ± 0,66	0,67 ± 0,36	6,43 ± 1,27
«Вепсский лес»	14,67 ± 1,70	6,08 ± 0,70	1,75 ± 0,37	6,65 ± 1,44

 

Локальная популяция «Вепсский лес» отличается наибольшим числом выявленных аллелей, в том числе и уникальных, что связано с заповедным режимом и отсутствием мероприятий лесопользования на данной территории в прошлом. Резерват «Вепсский лес» был выделен именно как эталон девственных высоковозрастных (до 400 лет) ельников [23].

Уровень генетического разнообразия анализировался по показателю ожидаемой гетерозиготности, который является вероятностной оценкой дифференцированности аллелей в популяции. Среднее значение ожидаемой гетерозиготности оказалось высоким (He = 0,746 ± 0,025), что указывает на высокий уровень полиморфизма анализируемых маркеров. Все популяции характеризуются некоторым дефицитом гетерозиготности (Ho < He), что показано ранее [21, 22] (табл. 5). Дефицит гетерозиготности в локальной популяции может возникать вследствие наличия как нуль-аллелей исследуемых локусов, так и инбридинга или эффекта Валунда. Инбридинг может быть причиной недостатка гетерозиготности, однако содержание понятия «инбридинг» в отношении такого строго перекрестноопыляемого вида, как ель европейская, следует понимать в том смысле, что «инбридинг» означает результат скрещивания рядом расположенных особей в пределах обособленных на местности групп деревьев, возникающего вследствие действия каких-то изолирующих группы деревьев факторов. Эта изоляция групп особей в пределах одной локальной популяции может приводить и к возникновению неоднородности популяции относительно частот встречаемости аллелей, т. е. к проявлению эффекта Валунда. Все популяции характеризуются широким разнообразием экологических условий и низкой межпопуляционной дифференциацией (табл. 3 и 5).

 

Таблица 5. Характеристики экологических условий и показатели генетического разнообразия локальных географических популяций (Но — наблюдаемая гетерозиготность, Не — ожидаемая гетерозиготность, F — индекс фиксации) The environmental conditions and the measure of the genetic differentiation among 4 local populations (Но – Observed Heterozygosity, Не – Expected Heterozygosity, F – Fixation Index)

Популяция	Число особей/ ценопопу ляций	Природноклиматические условия (зональные типы растительности)	Экологические условия произрастания	Ho	He	F
«Брянск»	25/2	Зона смешанных хвойно-широколиственных лесов	Ельники богатые, кислично-чернично-зеленомошные	0,628 ± 0,053	0,710 ± 0,049	0,113 ± 0,059
«Норвегия»	31/2	Средняя тайга	Ельники зеленомошные, средние по трофности и видовому богатству	0,731 ± 0,082	0,743 ± 0,057	0,125 ± 0,059
«Луга»	78/7	Южная тайга	Ельники, как сфагновые, так и кислично-зелено мош ные	0,757 ± 0,047	0,762 ± 0,047	0,189 ± 0,056
«Вепсский лес»	150/9	Средняя тайга	Ельники, как сфагновые, так и кислично-зелено мошные	0,750 ± 0,046	0,753 ± 0,046	0,157 ± 0,066

 

Попарные межпопуляционные сравнения проводились с помощью AMOVA. Анализ Fst не выявил значительную генетическую обособленность популяций «Луга» и «Вепсский лес», Fst = 0,006 (p = 0,001). Наибольшие различия наблюдаются между наиболее удаленными популяциями «Брянск» и «Норвегия», Fst = 0,043 (p = 0,001).

Результаты анализа главных координат (PCoA), основанного на генетических расстояниях D Нея [24], представлены в виде схемы на рис. 1. Этот показатель вычисляется как отрицательный логарифм величины генетического сходства популяций по частотам аллелей (I) и был выбран как наиболее подходящий к структуре данных.

 

Рис. 1. Схема межпопуляционных генетических различий четырех локальных популяций P. abies без учета экотопических условий ценопопуляций на основе многомерного анализа главных координат

 

Первые две дискриминантные функции совместно несут почти 100 % различий, причем большей информативностью обладает первая ось (ОХ). Анализ выявил практически полное отсутствие генетических различий между локальными популяциями ели на территории Ленинградской области. Генетические различия между локальными популяциями проявляются, таким образом, только на географических расстояниях, превышающих 700–800 км (см. рис. 1).

Анализ связи генетических различий между популяциями и географическим расстоянием с помощью теста Мантеля [25] показал наличие эффекта изоляции расстоянием. Это означает, что влияние физической удаленности на генетическую дифференциацию популяций ели европейской имеет существенное значение в популяционной структуре данного вида (коэффициент корреляции R = 0,919; p = 0,040).

Анализ генетических различий между локальными географическими популяциями с учетом экологических условий местообитания

Популяции «Луга» и «Вепсский лес» были разделены на ценопопуляции по типам леса с контрастными экотопическими условиями (табл. 6) и анализировались отдельно: «Луга_Ельники кислично-зеленомошные» и «Луга_Ельники сфагновые», «Вепсский лес_Ельники кислично-зеленомошные» и «Вепсский лес_Ельники сфагновые».

 

Таблица 6. Характеристики экологических условий и показатели генетического разнообразия ценопопуляций (Но — наблюдаемая гетерозиготность, Не — ожидаемая гетерозиготность, F — индекс фиксации) The environmental conditions and the measure of the genetic differentiation among cenopopulations (Но – Observed Heterozygosity, Не – Expected Heterozygosity, F – Fixation Index)

Популяция	Тип леса	Число особей/число ценопопуляций	Экологические условия произрастания (трофность/гидрологический режим)	Ho	He	F
«Брянск»	Кислично-зеленомошные ельники	25/2	Богатые/хорошо дренированные	0,628 ± 0,053	0,710 ± 0,049	0,113 ± 0,059
«Норвегия»	Зеленомошные ельники	31/2	Средние по богатству/гидрологическому режиму	0,731 ± 0,082	0,743 ± 0,057	0,125 ± 0,059
«Луга_Ельники сфагновые»	Сфагновые ельники	22/2	Бедные/заболоченные	0,555 ± 0,077	0,715 ± 0,053	0,249 ± 0,070
«Луга_Ельники кислично-зеленомошные»	Кислично-зеленомошные ельники	56/5	Богатые/хорошо дренированные	0,648 ± 0,069	0,739 ± 0,048	0,141 ± 0,069
«Вепсский лес_Ельники кислично-зеленомошные»	Кислично-зеленомошные ельники	82/6	Богатые/хорошо дренированные	0,662 ± 0,072	0,742 ± 0,046	0,128 ± 0,068
«Вепсский лес_Ельники сфагновые»	Сфагновые ельники	68/3	Бедные/заболоченные	0,618 ± 0,067	0,721 ± 0,050	0,163 ± 0,057

 

При учете экотопических различий между ценопопуляциями в пределах одной географической точки результат классификации тех же популяций по степени генетических различий резко изменяется (рис. 2). Результаты анализа главных координат (PCoA), основанного на генетических расстояниях D Нея [24], представлены в виде схемы на рис. 2. Первые две дискриминантные функции совместно несут 90 % различий, причем 75 % межпопуляционной изменчивости приходится на экотопические различия (ОХ), а 15 % — на географические различия (ОY). На рисунке видно, что генетические расстояния между сфагновыми ценопопуляциями ели резервата «Вепсский лес» и среднего течения реки Луга, удаленными на 300 км друг от друга, в 2 раза меньше, чем между ценопопуляциями только, например, резервата «Вепсский лес», которые отличаются кон трастными экотопическими условиями и удалены друг от друга на расстояние не более 3 км. Несоответствие генетических различий и географического расстояния для экологически контрастных ценопопуляций еще более выразительно для ельников кислично-зеленомошного типа. Здесь генетические различия между географически удаленными на 300 км кислично-зеленомошными ельниками резервата «Вепсский лес» и среднего течения реки Луга в 9 раз меньше, чем между сфагновыми и кислично-зеленомошными ельниками среднего течения реки Луга, физическое расстояние между которыми не превышает 3 км. То есть генетическое сходство между ценопопуляциями ели европейской на территории Ленинградской области в 2 раза (для сфагновых ельников) и 9 раз (для кислично-зеленомошных ельников) сильнее определяется сходством экологических условий местообитания нежели географическим расстоянием между ними. При этом масштаб соотношения генетических сходств-различий, определяемых экологическими условиями, сопоставим с размахом генетического варьирования ели европейской в крайних частях ее ареала (северо-западная — локальная популяция «Норвегия» и юго-западной — локальная популяция «Брянск», см. рис. 2).

 

Рис. 2. Схема межпопуляционных различий шести ценопопуляций P. abies, выделенных с учетом экотопа, на основе многомерного анализа главных координат

 

Иерархический анализ популяционных структур

Иерархический анализ популяционной структуры был проведен с помощью программы STRUCTURE (Structure 2.3.4). Эта программа классифицирует все данные, полученные на основании анализа микросателлитных локусов, на группы (кластеры), в каждой из которых выполняется закон Харди – Вайнберга. Наиболее вероятное число кластеров (К) как обособленных генетических групп в изучаемой выборке, определяемое в программе Structure Harvester согласно алгоритму Evanno et al. [26], равнялось трем (Delta K). Это означает, что существуют три самостоятельные группы генотипов. К одной группе принадлежат все сфагновые ельники, к другой — все кислично-зеленомошные и к третьей — ельники Норвегии (рис. 3). Таким образом, генетическая структура ценопопуляций P. abies из заболоченных местообитаний, из Норвегии и из хорошо дренированных территорий существенно различается.

 

Рис. 3. Структура генетического разнообразия популяций P. abies, выявленная с помощью программы STRUCTURE на основе анализа 12 SSR-локусов. B1, В3 — ценопопуляции «Брянск» (Кислично-зеленомошные ельники); Н1, Н2 — ценопопуляции «Норвегия»; L4/6 — ценопопуляции «Луга_Ельники сфагновые»; L1/2/3/5/7 — ценопопуляции «Луга_Ельники кислично-зеленомошные»; V/2/4/5/6/8 — ценопопуляции «Вепсский лес_Ельники кислично-зеленомошные»; V1/3/7 — «Вепсский лес_ Ельники сфагновые». Каждый столбик диаграммы показывает на индивидуальную для каждого из 284 деревьев принадлежность к трем кластерам с разной долей вероятности. Кластеры выделены белым, черным и серым цветом. Например, первое дерево, В1_1 (из популяции «Брянск»), с вероятностью 13 % может быть отнесено к «черному» кластеру, с вероятностью 11 % — к «белому» кластеру и с вероятностью 76 % — к «серому». Скобки объединяют особи, происходившие из бедных заболоченных популяций

 

ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ генетической дифференциации локальных популяций P. abies без учета различий в экологических условиях местообитания отдельных ценопопуляций в пределах одного географического района показал, что основная доля генетических различий определяется гео графической удаленностью локальных популяций друг от друга. На долю «географического» фактора приходится 96 % всех генетических различий между локальными популяциями (см. ось Х на рис. 1), и коэффициент корреляции между матрицами попарных генетического и гео графического расстояний равен 0,919 (p = 0,040). Таким образом, сгруппированные (только по географической принадлежности) и проанализированные данные представляют собой классический образец проявления эффекта «изоляции расстоянием» (Isolation by Distance — IBD), когда с ростом географической удаленности локальных популяций друг от друга растет и степень их генетических различий по нейтральным маркерам за счет автогенетических процессов: локальные популяции Северо-Западного региона РФ, находящиеся друг от друга на расстоянии около 300 км, обладают большим сходством, чем удаленные более чем на 1500 км брянская и норвежская популяции.

Однако введение в анализ экологических различий в условиях местообитания отдельных ценопопуляций в пределах одного географического района (путем разделения деревьев по принадлежности к типам леса с разным режимом увлажнения) резко меняет результат классификации тех же популяций по степени генетических различий (см. рис. 2). Для тех же самых данных, для которых ранее была установлена 96 % зависимость генетических различий от географического расстояния, оказывается, что наибольшим генетическим сходством обладают ценопопуляции из одинаковых типов леса (т. е. произрастающих в одинаковых экологических условиях), а наибольшими генетическими различиями — ценопопуляции из разных типов леса. При этом физическое расстояние между генетически наиболее сходными ценопопуляциями одного типа леса составляет более 300 км, а между генетически наиболее удаленными ценопопуляциями разных типов леса — не более 600 метров. Таким образом, влияние экологических условий на генетическую дифференциацию популяций P. abies оказывается намного сильнее, чем влияние изоляции расстоянием. Результаты PCoA показывают, что экологические условия произрастания на 75 % определяют генетическую дифференциацию популяций, тогда как на географический фактор приходится не более 15 % генетических различий (см. рис. 2). При этом важно, что масштаб влияния экологических условий на генетическую дифференциацию популяций превосходит масштаб эффекта изоляции расстоянием, поскольку на схеме анализа Главных Координат (см. рис. 2) расстояние между точками «Луга_Ельники_кислично-зеленомошные» и «Луга_Сфагновые ельники» больше, чем между точками «Норвегия» и «Брянск». Подобного рода факты, все чаще появляющиеся в публикациях последних лет [6, 7], и определяются в англоязычной литературе как Isolation by Environment, или IBE (по аналогии с IBD).

Программный пакет STRUCTURE был использован нами для методически независимого подтверждения выявленного эффекта IBE. В отличие от анализа PCoA, где посредством группировки деревьев в группы заранее задается направление поиска генетической дифференциации популяций, алгоритм STRUCTURE реализует схему последовательной иерархической классификации индивидуальных объектов по группам «без обучения», т. е. выявляемые им в пределах объединенного массива данных группы деревьев заранее никак не «предрасположены» к такому объединению. Поэтому получение с помощью STRUCTURE сходных с анализом PCoA результатов является существенным аргументом в пользу значимости эффекта IBE (рис. 3). При этом выявление трех независимых кластеров в программе STRUCTURE, один из которых соответствует группе деревьев из Норвегии, не только указывает на некоторую генетическую обособленность норвежской локальной популяции, но и позволяет глубже интерпретировать результаты PCoA: 15 % генетических различий, приходящихся на ось OY на рис. 2, следует объяснять не столько географической удаленностью брянской и норвежской популяций, сколько собственно генетическими особенностями адаптации норвежской и российских локальных популяций к различным условиям увлажнения. Генетическая обособленность норвежской популяции от популяций всего остального ареала P. abies и механизм ее возникновения выявлены и описаны ранее [21].

Вероятно, эффект экологической изоляции является весьма широко распространенным явлением в природе, о чем может свидетельствовать ряд косвенных данных. Так, например, в природных популяциях часто наблюдается недостаток гетерозигот как в целом по популяции, так и по отдельным маркерам. Некоторые исследователи объясняют это неоднородностью популяций по частоте встречаемости аллелей, связанной с неоднородностью экологических условий их обитания [27, 28]. Именно это видно на материале исследованных нами популяций P. abies.

Концепция экологической изоляции позволяет объяс нить пространственное внутрипопуляционное генетическое варьирование в гетерогенных условиях среды, когда изменение экосистемы оказывается достаточно существенным для отбора определенных генотипов и фиксации редких аллелей. Подобная «экологическая изоляция» является начальным этапом адаптивной дифференциации, которая далее, совместно с адаптацией к климатическим условиям и с генетическими процессами (связанными с миграцией и потоком генов через пыльцу и семена) может привести к видообразованию [7]. Такое развитие эволюционных процессов подразумевает начальное формирование устойчивых экологических рас, т. е. групп генетически не изолированных организмов, которые отличаются небольшим числом существенных наследуемых признаков [29] и распределение которых ограничивается приспособленностью к локальным эдафическим условиям и внутривидовой конкуренцией [30]. В дальнейшем механизм экологического видообразования предполагает эволюцию репродуктивных барьеров в результате дивергентного отбора в различных условиях среды.

Последующее изучение экологической изоляции популяций древесных растений в природе требует поиска адаптивных маркеров, ассоциированных с фенотипическими признаками, и идентификации процессов, которые приводят к экологической изоляции [6].

ВЫВОДЫ

На основе анализа 12 SSR-локусов для P. abies выявлен эффект изоляции экологическими условиями (IBE), при котором генетические различия между гео графически удаленными (более 300 км), но экологически сходными по условиям произрастания (принадлежащими к одному типу леса) ценопопуляциями гораздо меньше генетических различий между географически очень близко расположенными (менее 1 км), но экологически разнородными (принадлежащими к разным типам елового леса) ценопопуляциями. Влияние эффекта изоляции экологическими условиями на масштаб генетических различий в популяциях p. abies существенно больше влияния изоляции расстоянием (IBD).

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарят доктора M.M. Tollefsrud, ведущего научного сотрудника Института леса и ландшафта (г. Ос, Норвегия), за курирование экспериментальной части работы; сотрудников кафедры геоботаники и экологии растений СПбГУ, сотрудников заповедника «Брянский лес»: зам. директора по научной работе Е.Ф. Ситникову и научного сотрудника канд. биол. наук О.И. Евстигнеева; сотрудников резервата «Вепсский лес» за помощь в сборе материала.

Работа проведена при финансовой поддержке гранта Yaggdrasil Mobility Programme No 227321/F11.

About the authors

Kseniia V Zakharova

Saint Petersburg State University

Author for correspondence.
Email: ksenven@mail.ru

Geobotany and Plant Ecology Department

Russian Federation, Saint Petersburg, Russia

Kirill S Seits

Saint Petersburg State University

Email: seits@rambler.ru

Geobotany and Plant Ecology Department

Russian Federation, Saint Petersburg, Russia

References

Supplementary files