STUDYING OF KARYOLOGICAL VARIABILITY OF ALLIUM HYMENORHIZUM LEDEB. IN THE CONDITIONS OF SOUTH URAL AND THE BASHKIR CIS-URALS

Full Text

Лук плевокорневищный Allium hymenorhizum Ledeb. (сем. Alliaceae) - редкое растение Южного Урала и Предуралья, плейстоценовый реликт азиатского происхождения. Реликтовые популяции вида в Республике Башкортостан (РБ) весьма малочисленны и уязвимы [1], вследствие чего вид включен в «Красную книгу РБ» [2] отнесен к категории 1 (вид, находящийся под угрозой исчезновения). Основной его ареал располагается на Алтае (Россия, Монголия), он встречается также в горах Казахстана и Средней Азии [3]. На Южном Урале вид произрастает исключительно на пойменных солончаковатых лугах в верхнем течении р. Таналык (правый приток р. Урал) и в истоках р. Сапсал (левый приток р. Сакмара). В этом районе выявлено шесть пунктов произрастания вида. В четырех пунктах вид находится на грани вымирания [2, 1]. Также выявлен новый пункт произрастания вида в Башкирском Предуралье - Благоварский район, окр д. Новоконстантиновка [4]. Вид охраняется на территории ботанического памятника природы «Популяция лука плевокорневищного у д. Богачево» [4], проводится контроль над его популяциями и работы по увеличению их численности и созданию искусственных популяций в местах естественного произрастания вида [1, 2, 4]. Для разработки мероприятий по охране A. hymenorhizum необходимо дальнейшее комплексное изучение этого вида, в том числе с применением методов кариологического анализа. Кариологические исследования A. hymenorhizum проводились на территории Памиро-Алая [5-7], Казахстана [8], Алтайского края [9, 10], Таджикистана [11]. На территории Южного Урала и Башкирского Предуралья кариологических исследований A. hymenorhizum до настоящего времени не проводилось, в связи с чем, они являются очень актуальными. Цель настоящей работы - изучение кариологической изменчивости A. hymenorhizum на примере популяций Южного Урала и Башкирского Предуралья. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Материал для исследования был собран в 2017 г. в интродукционном питомнике редких и исчезающих растений флоры Южного Урала Уфимского Института биологии, находящегося на территории Южно-Уральского ботанического сада-института (г. Уфа). Происхождение образцов: 1) РБ, Баймакский р-н, окр. д. Бахтигареево (Южный Урал), интродуцирован живыми растениями в 2008 г.; 2) РБ, Благоварский р-н, окр. с. Новоконстантиновка (Башкирское Предуралье), интродуцирован живыми растениями в 2014 г. Далее образцы (популяции) для удобства называем по месту их происхождения (Бахтигареево, Новоконстантиновка). Семена для кариологических исследований были получены путем самоопыления и искусственного перекрестного опыления внутри каждой популяции с использованием изоляторов. Кариологические исследования проводили на давленых микропрепаратах [12]. В качестве материала использовали меристематическую ткань кончиков корешков проростков семян. Семена проращивали при комнатной температуре в лабораторных условиях. По достижении корешками длины 10-15 мм их переносили в чашку Петри на фильтровальную бумагу, смоченную 0,2 %-ным раствором колхицина, где они находились 4-5 ч. Затем корешки промывали дистиллированной водой в течение 1-2-х минут, избыток влаги удаляли фильтровальной бумагой и фиксировали их в смеси спирт - уксусная кислота (3:1) в течение 24 ч. Окрашивание материала проводили в 1 %-ном водном растворе ацетогематоксилина в течение 2-2,5 ч в термостате при температуре 60°С. Давленые микропрепараты исследовали под микроскопом БИМАМ Р-13, с использованием объектива x40, окуляра x7, насадки x2,5. По каждой популяции исследовали 30 метафазных пластинок. Кариологический анализ проводили по В.Д. Туркову с соавторами [13]. В результате исследований определяли числа хромосом, морфометрические параметры хромосом, а также морфометрические типы хромосом, согласно классификации В.Г. Грифа и Н.Д. Агаповой [14]. Для каждой хромосомы определяли следующие параметры: Lа - абсолютную длину хромосомы (сумма длин короткого и длинного плеча), мкм; Ic - центромерный индекс (отношение абсолютной длины короткого плеча хромосомы к абсолютной длине всей хромосомы), %; Lr - относительную длину хромосомы (отношение длины хромосомы к суммарной длине диплоидного набора хромосом), %; sc - локализацию вторичной перетяжки (отношение длины от центромеры до перетяжки к общей длине плеча) и частоту встречаемости вторичных перетяжек, %. Для каждой метафазной пластинки определяли: 2n - число хромосом на диплоидный набор; ∑La - суммарную длину диплоидного набора хромосом (сумма абсолютных длин всех хромосом диплоидного набора), мкм. По каждой паре хромосом находили средние значения и коэффициенты вариации всех морфометрических параметров. Расчет основных статистических характеристик выполнен по стандартной методике, сравнение средних значений показателей проведено по критерию Стьюдента [15]. Степень варьирования изучаемых признаков определяли по шкале уровней изменчивости С.А. Мамаева [16]: очень низкий (CV<7 %), низкий (CV=8-12 %), средний (CV=13-20 %), повышенный (CV=21-30 %), высокий (CV=31-40 %), очень высокий (CV>40 %). Определяли коэффициенты вариации, характеризующие изменчивость: CV, % - по выборке, CVср, % - среднее значение коэффициентов вариации признаков во всех выборках (внутрипопуляционная изменчивость), CVМср, % - вычисленный по среднему значению признака (межпопуляционная изменчивость). РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Для A. hymenorhizum исследованных популяций установлено соматическое число хромосом 2n=16. Микрофотографии метафазных пластинок представлены на рисунке 1, примеры систематизированных хромосомных наборов представлены на рисунке 2. В результате статистической обработки морфометрических параметров хромосом 30 метафазных пластинок каждой популяции установлено, что размеры хромосом в популяции Бахтигареево варьируют в пределах от 6,39±0,12 до 9,28±0,17 мкм, в популяции Новоконстантиновка - от 6,05±0,15 до 9,24±0,21 мкм. Относительная длина хромосом в популяции Бахтигареево варьирует от 5,18±0,03 до 7,52±0,04, в популяции Новоконстантиновка от 5,05±0,05 до 7,70±0,05. Центромерный индекс хромосом в популяции Бахтигареево варьирует от 39,73±0,80 до 46,44±0,32, в популяции Новоконстантиновка от 40,87±0,67 до 47,11±0,23 (табл. 1). Средняя суммарная длина диплоидного набора хромосом (2n) в популяции Бахтигареево составляет 123,37±3,17 мкм, в популяции Новоконстантовка - 119,92±3,91. Также установлено, что 1-7 пары хромосом метацентрического типа (Iс>40), а 8 пара хромосом субметацентрического типа (30<Iс<40%). На хромосомах метафазных пластинок обнаружены вторичные перетяжки. В частности, в популяции Бахтигареево вторичные перетяжки обнаружены на коротких плечах второй (sc=63,31), третьей (sc=54,50) и восьмой (sc=43,73) пар хромосом с частотой встречаемости 10,0%, 3,3%, 13,3%, соответственно, а в популяции Новоконстантиновка - на коротком плече только восьмой пары (sc=50,00) с частотой встречаемости 10,0%. Идиограммы кариотипов исследуемых популяций, составленные по средним морфометрическим параметрам хромосом, представлены на рисунке 3. Изменчивость кариологических показателей характеризуется очень низким, низким и средним значением коэффициента вариации. В обеих популяциях по абсолютной длине хромосом наблюдается средний коэффициент вариации, по относительной длине хромосом - очень низкий и низкий коэффициент вариации, а по значению центромерного индекса хромосом - очень низкий, низкий и средний коэффициент вариации. По результатам исследования внутрипопуляционная изменчивость по всем морфометрическим параметрам хромосом превышает межпопуляционную (табл. 1, 2). Суммарная длина диплоидного набора хромосом в популяции Бахтигареево варьирует от 88,44 до 164,67 мкм, в популяции Новоконстантиновка - от 84,81 до 163,68 мкм, коэффициент вариации этого показателя в обеих популяциях имеет средний уровень изменчивости и составляет 14,06 % и 17,84 % соответственно. Оценка различия популяций с использованием критерия Стьюдента показала, что значимые различия по относительной длине хромосом наблюдается по 1 и 8 парам, а по центромерному индексу по 5 паре хромосом, по абсолютной длине хромосом различия незначимы (табл. 3). Полученные нами результаты показали, что число хромосом и структура кариотипа, исследуемых популяций, в целом, совпадают с описанием кариотипа этого вида, произрастающего в других частях ареала. Так, определенное нами число хромосом в исследуемых популяциях (2n=16) соответствует большинству проведенных ранее исследований [5-7, 9, 10]. Исключением является популяция Заилийского Алатау, в которой выявлено число хромосом 2n=32 [8]. Длина отдельных хромосом и хромосомных наборов в исследованиях, проведенных другими авторами ранее несколько выше, чем в результатах, полученных нами, что может быть объяснено различиями в предобработке материала, которая могла повлиять на спирализацию хромосом. При сравнении результатов наших исследований с результатами, полученными ранее, наблюдается сходство по морфометрическим типам хромосом 1-7 пар, которые в обоих случаях являются метацентрическими, и различия по 8 паре, которая в наших исследованиях является субметацентрической, а в проведенных ранее исследованиях - субакроцентрической. Авторы, проведенных ранее исследований [2, 15], также описывают наличие у 8 пары большого спутника равного ширине плеча, мы же считаем, что эта пара хромосом имеет вторичную перетяжку с невысокой (10,0-13,3 %) частотой встречаемости. ВЫВОДЫ 1. Кариологические исследования показали, что число хромосом в соматической ткани исследуемого вида 2n=16, хромосомы средних размеров (от 6,05±0,15 до 9,28±0,17 мкм), метацентрического (1-7 пары) и субметацентрического (8 пара) типов, некоторые из них (2, 3 и 8 пары) имеют вторичные перетяжки с низкой частотой встречаемости (3,3-13,3 %). 2. Изменчивость кариологических показателей характеризуется очень низким, низким и средним значением коэффициента вариации. Внутрипопуляционная изменчивость по всем морфометрическим параметрам хромосом превышает межпопуляционную. 3. Использование критерия Стьюдента показало, что значимые различия между популяциями наблюдаются по относительной длине 1 и 8 пар, центромерному индексу 5 пары, по абсолютной длине хромосом различия незначимы. Рис. 1. Микрофотографии метафазных пластинок Allium hymenorhizum: a, б - Бахтигареево; в, г - Новоконстантиновка. Масштабная линейка равна 10 мкм Рис. 2. Хромосомные наборы Allium hymenorhizum: а - Бахтигареево; б - Новоконстантиновка. Масштабная линейка равна 4 мкм Таблица 1. Морфометрические параметры хромосом Allium hymenorhizum Рис. 3. Идиограммы кариотипов Allium hymenorhizum: а - Бахтигареево; б - Новоконстантиновка. Масштабная линейка равна 1 мкм Таблица 2. Изменчивость морфометрических показателей хромосом Allium hymenorhizum в исследуемых популяциях Таблица 3. Результаты оценки различий исследованных популяций Allium hymenorhizum по морфометрическим параметрам хромосом Примечание. Цифрами отмечены сравниваемые популяции: 1 - Бахтигареево, 2 - Новоконстантиновка; * - различия достоверны (tтеор=2,002 при p=0,05).

About the authors

Aliya Galeevna Kutueva

The South-Ural Botanical Garden-Institute - Subdvision of the Federal State Budgetary Scientific Institution of the Ufa Federal Research Center of Russian Academy of Sciences

Email: alia-cutueva@mail.ru
Postgraduate Student

Nadezhda Aleksandrovna Kalashnik

The South-Ural Botanical Garden-Institute - Subdvision of the Federal State Budgetary Scientific Institution of the Ufa Federal Research Center of Russian Academy of Sciences

Email: kalash.ufa@mail.ru
Candidate of Biological Sciences, Leading Research of Laboratory of Genetics and Biotechnology Plants

Natalya Vladimirovna Maslova

Ufa Institute of Biology - Subdvision of the Federal State Budgetary Scientific Institution of the Ufa Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences

Email: maslovanv-ib-ufa@mail.ru
Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Senior Research, Fellow of Laboratory of Geobotany and Plants Resources

References

Supplementary files