The state of gene pool of the basic forest-forming species of the white sea watershed (on the example of a Picea × fennica (Regel) kom. And Pinus sylvestris L.)

Cover Page
Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract


Background. The genetic diversity of forest tree species populations is a key factor contributing to their resistance against negative effects of human activity, and the global climate change. The aim of the present study was to evaluate the state of gene pools of the main forest-forming species in the White Sea watershed.

Materials and methods. Five populations of Norway spruce and seven populations of Scotch pine have been selected within the Arctic zone of the European part of Russia (the western part of the White Sea watershed), along with two boundary ones located near the northern borders of the abovementioned species areas. The analysis of the spruce samples had been performed using five nuclear SSR loci, while for the pine samples it was four. DNA fragments were separated on a sequencer CEQ 8000. The main criteria of the genetic diversity (A99%, Ho, He) and F-statistics were calculated.

Results. The marginal spruce populations were characterized by the largest magnitude of the genetic diversity (Ho = 0.46; He = 0.47) and isolation (FST = 0.33) compared to other populations of the same species. The differences were statistically significant. All pine populations studied demonstrated a higher level of genetic diversity (Ho = 0.50, He = 0.63) compared to spruce populations. The differences between the boundary and in-area populations were not statistically reliable (FST = 0.04).

Conclusion. Our investigation revealed a sufficiently high level of spruce and pine northern populations’ genetic diversity making them able to withstand expected negative effects of anthropogenic activity and global climate change.


Full Text

Restricted Access

About the authors

Aleksey A. Ilinov

Forest Research Institute of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: ialexa33@yandex.ru
SPIN-code: 2850-3404

Russian Federation, Petrozavodsk

PhD, Senior Researcher

Boris V. Raevsky

Karelian Research Centre of the Russian Academy of Science

Email: borisraevsky@gmail.com
SPIN-code: 2136-7785

Russian Federation, Petrozavodsk

Doctor of Science, Senior Researcher, Department of Multidisciplinary Scientific Research

Olga V. Chirva

Karelian Research Centre of the Russian Academy of Science

Email: tchirva.olga@yandex.ru
SPIN-code: 4755-2713

Russian Federation, Petrozavodsk

Junior Researcher, Department of Multidisciplinary Scientific Research

References

  1. Pachauri RK, Reisinger A. Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Geneva (CH): IPCC. Intergovernmental Panel on Climate Change; 2008. 104 p.
  2. Чуприян А.П., Веселов И.А., Сорокина И.В., Наумова Т.Е. Мероприятия, проводимые МЧС России по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций в Арктике // Арктика: экология и экономика. – 2013. – № 1. – С. 70–77. [Chupriyan AP, Veselov IA, Sorokina IV, Naumova TE. Meropriyatiya, provodimye MChS Rossii po preduprezhdeniyu I likvidatsii chrezvychainykh situatsii v Arktike. Arktika: ekologiya I ekonomika. 2013;(1):70-77. (In Russ.)]
  3. Лисицын А.П., Немировская И.А. Система Белого моря. Рассеянный осадочный материал гидросферы, микробные процессы и загрязнения. – М.: Научный мир, 2013. – 668 с. [Lisitsyn AP, Nemirovskaya IA. Sistema Belogo tmos. Rasseyannyi osadochnyi material gidrosfery, mikrobnye protsessy I zagryazneniya. Moscow: Nauchnyi mir; 2013. 668 p. (In Russ.)]
  4. Филатов Н.Н., Тержевик А.Ю. Белое море и его водосбор под влиянием климатических и антропогенных факторов. – Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. – 349 с. [Filatov NN, Terzhevik Ayu. Beloe more I ego vodosbor pod vliyaniem klimaticheskikh I antropogennykh faktorov. Petrozavodsk: Karel’skii nauchnyi tsentr RAN; 2007. 349 p. (In Russ.)]
  5. Global plan of action for the conservation, sustainable use and development of forest genetic resources. Commission on Genetic Resources for Food and Agriculture Organization of the United Nations. Rome, Italy; 2014. 32 p.
  6. Hodgetts RB, Aleksiuk MA, Brown A, et al. Development of microsatellite markers for white spruce (Picea glauca) and related species. Theor Appl Genet. 2001;102(8):1252-1258. https://doi.org/10.1007/s00122-001-0546-0.
  7. Scotti I, Magni F, Paglia G, Morgante M. Trinucleotide microsatellites in Norway spruce (Picea abies): their features and the development of molecular markers. Theor Appl Genet. 2002;106(1):40-50. https://doi.org/10.1007/s00122-002-0986-1.
  8. Elsik CG, Minihan VT, Hall SE, et al. Low-copy microsatellite markers for Pinus taeda L. Genome. 2000;43(3):550-555. https://doi.org/ 10.1139/gen-43-3-550.
  9. Soranzo N, Provan J, Powell W. Characterization of microsatellite loci in Pinus sylvestris L. Mol Ecol. 1998;7(9):1260-1261.
  10. Nei M. Estimation of average heterozygosity and genetic distance from a small number of individuals. Genetics. 1978;89(3):583-590.
  11. Peakall R, Smouse PE. GenALEx 6: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research. Molecular Ecology Notes. 2006;6(1):288-295. https://doi.org/10.1111/j.1471-8286.2005.01155.x.
  12. Takezaki N, Nei M, Tamura K. POPTREEW: Web Version of POPTREE for constructing population trees from allele frequency data and computing some other quantities. Mol Biol Evol. 2014;31(6):1622-1624. https://doi.org/10.1093/molbev/msu093.
  13. Ли Ч.Ч. Введение в популяционную генетику / пер. с англ. Е.А. Салменковой, Е.Я. Тетушкина, под ред. Ю.П. Алтухова, Л.А. Животовского. – М.: Мир, 1978. – 555 с. [Li ChCh. First course in population genetics. Transl. from English E.A. Salmenkova; ed. By E.Ya. Tetushkin, Yu.P. Altukhov, L.A. Zhivotovskiy. Moscow: Mir; 1978. 555 р. (In Russ.)]
  14. Потенко В.В., Ильинов А.А., Гончаренко Г.Г. Изучение генетической дифференциации популяций ели в Карелии с использованием метода изоферментного анализа // Селекция и семеноводство в Карелии. – Петрозаводск: КарНЦ РАН, 1993. – С. 66–76. [Potenko VV, Il’inov AA, Goncharenko GG. Izuchenie geneticheskoi differentsiatsii populyatsii eli v Karelii s ispol’zovaniem metoda izofermentnogo analiza. In: Selektsiya I semenovodstvo v Karelii. Petrozavodsk: KarNTs RAN; 1993. Р. 66-76. (In Russ.)]
  15. Шитиков В.К., Розенберг Г.С. Рандомизация и бутстреп: статистический анализ в биологии и экологии с использованием R. – Тольятти: Кассандра, 2013. – 314 с. [Shitikov VK, Rozenberg GS. Randomizatsiya I butstrep: statisticheskii analiz v biologii I ecologii s ispol’zovaniem R. Tol’yatti: Kassandra; 2013. 314 p. (In Russ.)]
  16. Янбаев Ю.А., Тренин В.В., Шигапов З.Х., и др. Генетическая изменчивость и дифференциация сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) на территории Карелии // Сб. стат. «Научные основы селекции древесных растений Севера». Петрозаводск: КарНЦ РАН, 1998. – С. 25–32. [Yanbaev YuA, Trenin VV, Shigapov ZKh, Chistyakov BA, Bakhtiyarova RM. Geneticheskaya izmenchivost’ I differentsiatsiya sosny obyknovennoi (Pinus sylvestris) na territorii Karelii. In: Collected papers: “Nauchnye osnovy selektsii drevesnykh rastenii Severa”. Petrozavodsk: KarNTs RAN; 1998. Р. 25-32. (In Russ.)]
  17. Гончаренко Г.Г., Падутов В.Е., Силин А.Е. Генетическая структура, изменчивость и дифференциация в популяциях Pinus sibirica Du Tour // Генетика. – 1992. – № 28. – C. 114–128. [Goncharenko GG, Padutov VE, Silin AE. Geneticheskaya struktura, izmenchivost’ I differentsiatsiya v populyatsiyakh Pinus sibirica Du Tour. Genetika. 1992;(28):114-128. (In Russ.)]
  18. Кравченко А.Н., Экарт А.К., Ларионова А.Я. Аллозимное разнообразие и дифференциация популяций ели сибирской в западном Забайкалье и Монголии // Хвойные бореальной зоны. – 2012. – Т. 30. – № 1–2. – C. 97–101. [Kravchenko AN, Ekart AK, Larionova Aya. Allozimnoe raznoobrazie I differentsiatsiya populyatsii eli sibirskoi v zapadnom Zabaikal’e I Mongolii. Khvoinye boreal’noi zony. 2012;30(1-2):97-101. (In Russ.)]
  19. Сурсо М.В. Репродуктивная биология и полиморфизм хвойных видов (семейства Pinaceae Lindl., Cupressaceae Rich. Ex Bartl.) Европейского Севера России (Архангельская обл.): Автореф. Дис. … канд. С.-х. наук. – Архангельск, 2013. – 43 с. [Surso MV. Reproduktivnaya biologiya I polimorfizm khvoinykh vidov (semeistva Pinaceae Lindl., Cupressaceae Rich. Ex Bartl.) Evropeiskogo Severa Rossii (Arkhangel’skaya obl.) [dissertation abstract] Arkhangel’sk; 2013. 43 p. (In Russ.)]. Доступно по: https://search.rsl.ru/ru/record/01005545202. Ссылка активна на 15.03.2020.
  20. Экарт А.К., Семерикова С.А., Семериков В.Л., и др. Применение различных типов генетических маркеров для оценки уровня внутривидовой дифференциации ели сибирской // Сибирский лесной журнал. – 2014. – № 4. – C. 84–91. [Ekart AK, Semerikova SA, Semerikov VL, et al. The use of genetic markers of various types for evaluation of intraspecific differentiation level of the tmosphe spruce. Sibirskii lesnoi zhurnal. 2014;(4):84-91. (In Russ).]
  21. Gutkowska J, Borys M, Tereba A, et al. Genetic variability and health of Norway spruce stands in the Regional Directorate of the State Forests in Krosno. Forest Research Papers. 2017;78(1):56-66. https://doi.org/10.1515/frp-2017-0006.
  22. Stojnić S, Avramidou E, Fussi B, et al. Assessment of genetic diversity and population genetic structure of Norway spruce (Picea abies (L.) Karsten) at Its southern lineage in Europe. Implications for conservation of forest genetic resources. Forests. 2019;10(3):258. https://doi.org/10.3390/f10030258.
  23. Tóth EG, Tremblay F, Housset JM, et al. Geographic isolation and climatic variability contribute to genetic differentiation in fragmented populations of the long-lived subalpine conifer Pinus cembra L. in the western Alps. BMC Evol Biol. 2019;19(1):190. https://doi.org/10.1186/s12862-019-1510-4.
  24. Петрова Е.А., Горошкевич С.Н., Белоконь М.М., и др. Генетическое разнообразие кедра сибирского Pinus sibirica Du Tour: распределение вдоль широтного и долготного профилей // Генетика. – 2014. – Т. 50. – № 5. – С. 538. [Petrova EA, Goroshkevich SN, Belokon’ MM, et al. Distribution of the genetic diversity of the Siberian stone pine, Pinus sibirica Du Tour, along the latitudinal and longitudinal profiles. Genetika. 2014;50(5):538. (In Russ.)]. https://doi.org/ 10.7868/s0016675814050105.
  25. Hamrick JL, Godt MJ, Sherman-Broyles SL. Factors influencing levels of genetic diversity in woody plant species. New Forests. 1992;6(1-4): 95-124. https://doi.org/10.1007/bf00120641.
  26. Политов Д.В. Аллозимный полиморфизм, генетическая дифференциация и система скрещивания сибирской кедровой сосны Pinus sibirica Du Tour: Автореф. Дис. … канд. Биол. Наук. – М., 1989. – 19 с. [Politov DV. Allozimnyi polimorfizm, geneticheskaya differentsiatsiya I tmosph skreshchivaniya sibirskoi kedrovoi sosny Pinus sibirica Du Tour. [dissertation abstract] Moscow; 1989. 19 р. (In Russ.)]. Доступно по: https://search.rsl.ru/ru/record/01000002947. Ссылка активна на 15.03.2020.
  27. Politov D. Allozyme polymorphism, heterozygosity, and mating system of stone pines. Proceedings of the International Workshop on Subalpine Stone Pines and Their Environment, the Status of Our Knowledge. 1994:36-42.
  28. Lee S, Choi W, Norbu L, Pradhan R. Genetic diversity and structure of blue pine (Pinus wallichiana Jackson) in Bhutan. Forest Ecol Management. 1998;105(1-3):45-53. https://doi.org/10.1016/s0378-1127(97)00268-5.
  29. Мудрик Е.А., Белоконь М.М., Белоконь Ю.С., Политов Д.В. Применение микросателлитных маркеров в геногеографических исследованиях хвойных // Мат. Всерос. Конф. «Водные и наземные экосистемы: проблемы и перспективы исследований». – Вологда, 2008. – С. 78–81. [Mudrik EA, Belokon’ MM, Belokon’ YuS, Politov DV. Primenenie mikrosatellitnykh markerov v genogeograficheskikh issledovaniyakh khvoinykh. (Conference proceedings) Mat. Vseros. Konf. “Vodnye I nazemnye ekosistemy: tmosph I perspektivy issledovanii”. Vologda; 2008. Р. 78-81. (In Russ.)]
  30. Aitken SN, Libby WJ. Evolution of the Pygmy-Forest Edaphic Subspecies of Pinus contort А across an ecological staircase. Evolution. 1994;48(4):1009-1019. http://doi.org/ 10.1111/j.1558-5646.1994.tb05289.x.
  31. Ledig FT. Founder effects and the genetic structure of Coulter pine. J Hered. 2000;91(4):307-315. https://doi.org/10.1093/jhered/91.4.307.
  32. Hamann A, El-Kassaby YA, Koshy MP, Namkoong G. Multivariate analysis of allozymic and quantitative trait variation in Alnus rubra: geographic patterns and evolutionary implications. Canadian J Forest Research. 1998;28(10):1557-1565. https://doi.org/ 10.1139/x98-135.
  33. Gamache I, Jaramillo-Correa JP, Payette S, Bousquet J. Diverging patterns of mitochondrial and nuclear DNA diversity in subarctic black spruce: imprint of a founder effect associated with postglacial colonization. Mol Ecol. 2003;12(4):891-901. https://doi.org/10.1046/j.1365-294x.2003.01800.x.
  34. Hewitt GM. Genetic consequences of climatic oscillations in the Quaternary. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2004;359(1442):183-195. https://doi.org/10.1098/rstb.2003.1388.
  35. Hampe A, Petit RJ. Conserving biodiversity under climate change: the rear edge matters. Ecol Lett. 2005;8(5):461-467. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2005.00739.x
  36. Шиятов С.Г., Мазепа В.С., Моисеев П.А., Братухина М.Ю. Изменения климата и их влияние на горные экосистемы национального парка «Таганай» за последние столетия // Влияние изменений климата на экологию охраняемых природных территорий России. Анализ многолетних наблюдений / под ред. А. Кокорина, А. Кожаринова, А. Минина. – М., 2001. – С. 16–31. [Shiyatov SG, Mazepa VS, Moiseyev PA, Bratukhina Myu. Izmeneniya klimata i ikh vliyanie na gornye ekosistemy tmosphe’nogo parka “Taganai” za poslednie stoletiya. In: Vliyanie izmenenii klimata na ekologiyu okhranyaemykh prirodnykh territorii Rossii. Analiz mnogoletnikh nablyudenii. Ed. By A. Kokorin, A. Kozharinov, A. Minin. Moscow; 2001. Р. 16-31. (In Russ.)]
  37. Падутов В.Е., Хотылева Л.В., Баранов О.Ю., Ивановская С.И. Генетические эффекты трансформации лесных экосистем // Экологическая генетика. – 2008. – Т. 6. – № 1. – C. 3–11. [Padutov VE, Khotyleva LV, Baranov Oyu, Ivanovskaya SI. Genetic effects of transformation of forest ecosystems. Ecological genetics. 2008;6(1):3-11. (In Russ.)]
  38. Houghton JT, Meira Filho LG, Callander BA, et al. Climate change 1995. The science of climate change. Contribution of Working Group 1 to the Second Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Xii. Cambridge University Press (CUP). 1996;76(3):836-836. https://doi.org/10.1017/s002531540003157x.
  39. Кондрашева Н.Ю., Кобак К.И., Турчинович И.Е. Возможные реакции наземной растительности на увеличение концентрации СО2 в атмосфере и глобальное потепление // Лесоведение. – 1993. – № 4. – С. 71–76. [Kondrasheva Nyu, Kobak KI, Turchinovich IE. Vozmozhnye reaktsii nazemnoi rastitel’nosti na uvelichenie kontsentratsii SO2 v tmosphere I global’noe poteplenie. Lesovedenie. 1993;(4):71-76. (In Russ.)].
  40. Гитарский М.Л., Карабань Р.Т. Реакция лесных экосистем Европейской части России на изменения климата (по данным многолетних наблюдений в заповедниках) // Влияние изменений климата на экологию охраняемых природных территорий России. Анализ многолетних наблюдений / под ред. А. Кокорина, А. Кожаринова, А. Минина. – М., 2001. – С. 24–27. [Gitarskii ML, Karaban’ RT. Reaktsiya lesnykh ekosistem Evropeiskoi chasti Rossii na izmeneniya klimata (po dannym mnogoletnikh nablyudenii v zapovednikakh). In: Vliyanie izmenenii klimata na ekologiyu okhranyaemykh prirodnykh territorii Rossii. Analiz mnogoletnikh nablyudenii. Ed. By A. Kokorin, A. Kozharinov, A. Minin. Moscow; 2001. Р. 24-27. (In Russ.)]
  41. Величко А.А. Зональные и макрорегиональные изменения ландшафтно-климатических условий, вызванных «парниковым эффектом» // Изв. РАН. Сер. Геогр. – 1992. – № 2. – С. 89–102. [Velichko AA. Zonal’nye i makroregional’nye izmeneniya landshaftno-klimaticheskikh uslovii, vyzvannykh “parnikovym effektom”. Izv. RAN. Ser. Geogr. 1992;(2):89-102. (In Russ.)]
  42. Шиятов С.Г. Климатогенная динамика лесотундровых редколесий и методические подходы к ее изучению // Мат. Симпозиума «Северные леса: состояние, динамика, антропогенное воздействие», Архангельск, 16–26 июля 1990. – М., 1990. – С. 69–71. [Shiyatov SG. Klimatogennaya dinamika lesotundrovykh redkolesii i metodicheskie podkhody k ee izucheniyu. (Conference proceedings) “Severnye lesa: sostoyanie, dinamika, antropogennoe vozdeistvie”; Arkhangelsk, July 16–26, 1990. Moscow; 1990. Р. 69-71. (In Russ.)]
  43. Гончаренко Г.Г., Падутов В.Е. Популяционная и эволюционная генетика елей Палеарктики. – Гомель: ИЛ НаНБ, 2001. – 206 с. [Goncharenko GG, Padutov VE. Populyatsionnaya I evolyutsionnaya genetika elei Palearktiki. Gomel’: IL NaNB; 2001. 206 р. (In Russ.)]

Supplementary files

Supplementary Files Action
1.
Fig. 1. Map of the location of the collection points for pine and Finnish spruce. The designations of the items are given in accordance with table. 1

Download (386KB) Indexing metadata
2.
Fig. 2. Dendrogram of similarity of Karelian populations of Finnish spruce according to Nei's genetic distance (DN); in the nodes of the dendrogram, a bootstrap estimate of the probability of BP in% is indicated

Download (53KB) Indexing metadata
3.
Fig. 3. Dendrogram of the similarity of the Karelian populations of Scots pine according to the Nei genetic distance (DN); in dendrogram nodes BP boost score is indicated in%

Download (37KB) Indexing metadata

Statistics

Views

Abstract - 85

PDF (Russian) - 5

Cited-By


PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2020 Ilinov A.A., Raevsky B.V., Chirva O.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies