Ecological geneticsEcological geneticsЭкологическая генетика1811-09322411-9202Eco-Vector11086610.17816/ecogen110866Genetic basis of ecosystems evolutionГенетические основы эволюции экосистемResearch ArticleGenetic structure and differentiation of Scots pine (Pinus sylvestris L.) populations in the Middle and Upper Volga RegionsГенетическая структура и дифференциация популяций сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в Среднем и Верхнем Поволжьеhttps://orcid.org/0000-0002-7507-8588572194864932215-3308SheikinaOlga V.ШейкинаОльга Викторовна
Russian Federation

Cand. Sci. (Agricultural), Assistant Professor, Department of Forest Crops, Breeding and Biotechnology

канд. с.-х. наук, доцент, кафедра лесных культур, селекции и биотехнологии

ShejkinaOV@volgatech.netVolga State University of TechnologyПоволжский государственный технологический университет01112022241220222042612701009202201112022Copyright ©; 2022, Eco-VectorCopyright ©; 2022, ООО "Эко-Вектор"2022Eco-VectorООО "Эко-Вектор"https://journals.eco-vector.com/ecolgenet/article/view/110866

BACKGROUND: Due to broad geographical and ecological distribution of Scots pine we witness the shaping of a significant species heterogeneity. There is a demand in researching the features of the genetic structure and differentiation of Scots pine populations in different parts of the range.

MATERIALS AND METHODS: 12 populations were scrutinized with the use of ISSR markers. The genetic structure was assessed by estimating basic indicators of genetic diversity (the number of alleles per locus, the number of effective alleles, and the expected heterozygosity) and by the analysis of molecular variance (AMOVA). Genetic differentiation was assessed by Nei’s GST statistic, Mantel test, Principal Coordinates Analysis (PCoA), and creating a tree diagram.

RESULTS: Populations that grow on the right bank of the Volga in the northern and central parts of the Volga Uplands are characterized by a higher genetic diversity (Na = 1.84–1.89; Ne = 1.34–1.39; He = 0.217–0.241) and a lower subdivision (GST = 0.092). Populations that grow on the left bank proved lower rates of genetic variability (Na = 1.68–1.81; Ne = 1.27–1.35; He = 0.174–0.218) while the divergence was higher (GST = 0.179). Much of the genetic variability is within the populations (more than 80%).

CONCLUSIONS: The study determined differences in the genetic structure and the degree of differentiation of Scots pine populations, that grow on different banks of the Volga in the Middle and Upper Volga Regions.

Актуальность. Широкое географическое и экологическое распространение сосны обыкновенной обеспечили формирование значительной гетерогенности вида. Необходимы исследования, направленные на изучение особенностей генетической структуры и дифференциации популяций сосны обыкновенной в разных частях ареала.

Материалы и методы. На основе ISSR-маркеров изучено 12 популяций. Оценка генетической структуры выполнена на основе расчета основных показателей генетического разнообразия (число аллелей на локус, число эффективных аллелей, ожидаемая гетерозиготность) и с помощью анализа молекулярной вариансы (AMOVA). Генетическая дифференциация оценивалась с применением GST-статистики Нея, теста Мантеля, анализа главных координат (PСoA) и построения дендрограммы.

Результаты. Популяции, произрастающие на правом берегу р. Волги в северной и центральной части Приволжской возвышенности, отличаются более высоким генетическим разнообразием (Na = 1,84–1,89; Ne = 1,34–1,39; He = 0,217–0,241) и меньшей подразделенностью (GST = 0,092). Для левобережных популяций установлены более низкие показатели генетической изменчивости (Na = 1,68–1,81; Ne = 1,27–1,35; He = 0,174–0,218) и более высокая дивергенция (GST = 0,179). Основная часть генетической изменчивости находится внутри популяций (более 80 %).

Заключение. Выявлены различия по генетической структуре и степени дифференциации популяций сосны обыкновенной, произрастающих на разных берегах р. Волги в Среднем и Верхнем Поволжье.

Pinus sylvestrispopulationsgenetic diversitydifferentiationISSR-markersPinus sylvestrisпопуляциигенетическое разнообразиедифференциацияISSR-маркерыМинистерство науки и высшего образования РФMinistry of Science and Higher Education of the Russian Federation075-15-2021-674Центр коллективного пользования «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей» Поволжского государственного технологического университетаCore Facility Centre “Ecology, biotechnologies and processes for obtaining environmentally friendly energy carriers” of Volga State University of Technology075-15-2021-674Debreczy Z, Racz I, Musia K. Conifers around the world. Budapest: Dendropress, 2011.Debreczy Z., Racz I., Musia K. Conifers around the world. Budapest: Dendropress, 2011.Tóth EG, Kobolkuti ZA, Pedryc A, Hohn M. Evolutionary history and phylogeography of Scots pine (Pinus sylvestris L.) in Europe based on molecular markers. J For Res. 2017;28(4):637–651. DOI: 10.1007/s11676-017-0393-8Tóth E.G., Kobolkuti Z.A., Pedryc A., Hohn M. Evolutionary history and phylogeography of Scots pine (Pinus sylvestris L.) in Europe based on molecular markers // J For Res. 2017. Vol. 28, No. 4. P. 637–651. DOI: 10.1007/s11676-017-0393-8Semerikov VL, Podogas AV, Shurkhal AV. Variability of allozyme loci in populations of common pine. Russian Journal of Ecology. 1993;(1):18–25. (In Russ.)Семериков В.Л., Подогас А.В., Шурхал А.В. Структура изменчивости аллозимных локусов в популяциях сосны обыкновенной // Экология. 1993. № 1. С. 18–25.Vidyakin AI, Semerikov VL, Polezhaeva MA, Dymshakova OS. Rasprostranenie gaplotipov mitokhondrial’noi DNK v populyatsiyakh sosny obyknovennoi (Pinus sylvestris L.) na severe evropeiskoi Rossii. Russian Journal of Genetics. 2012;48(12):1440–1444. (In Russ.)Видякин А.И., Семериков В.Л., Полежаева М.А., Дымшакова О.С. Распространение гаплотипов митохондриальной ДНК в популяциях сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) на севере европейской России // Генетика. 2012. Т. 48, № 12. С. 1440–1444.Semerikov VL, Semerikova SA, Dymshakova OS, et al. Microsatellite loci polymorphism of chloroplast dna of scots pine (Pinus sylvestris L.) in Asia and Eastern Europe. Russian Journal of Genetics. 2014;50(6):660–669. (In Russ.) DOI: 10.7868/S0016675814040122Семериков В.Л., Семерикова С.А., Дымшакова О.С., и др. Полиморфизм микросателлитных локусов хлоропластной ДНК сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в Азии и Восточной Европе // Генетика. 2014. Т. 50, № 6. С. 660–669. DOI: 10.7868/S0016675814040122Zietkiewicz E, Rafalski A, Labuda D. Genome fingerprinting by simple sequence repeat (SSR) anchored polymerase chain reaction amplification. Genomics. 1994;20(2):176–183. DOI: 10.1006/geno.1994.1151Zietkiewicz E., Rafalski A., Labuda D. Genome fingerprinting by simple sequence repeat (SSR) anchored polymerase chain reaction amplification // Genomics. 1994. Vol. 20, No. 2. P. 176–183. DOI: 10.1006/geno.1994.1151Hui-yu L, Jing J, Gui-feng L, et al. Genetic variation and division of Pinus sylvestris provenances by ISSR markers. J For Res. 2005;16(3):216–218. DOI: 10.1007/BF02856818Hui-yu L., Jing J., Gui-feng L., et al. Genetic variation and division of Pinus sylvestris provenances by ISSR markers // J For Res. 2005. Vol. 16, No. 3. P. 216–218. DOI: 10.1007/BF02856818Nechaeva YuS, Boronnikova SV, Vedyakin AI, et al. Molecular genetic analysis of conifer plants populations in Urals and east European part of Russia for conservation and reproduction the forest resources. Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2014;16(1–3):878–882. (In Russ.)Нечаева Ю.С., Боронникова С.В., Видякин А.И., и др. Молекулярно-генетический анализ популяций хвойных видов растений на Урале и востоке европейской части России для сохранения и возобновления лесных ресурсов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16, № 1–3. С. 878–882.Vidyakin AI, Boronnikova SV, Nechayeva YuS, et al. Genetic variation, population structure, and differentiation in scots pine (Pinus ylvestris L.) From the northeast of the Russian plain as inferred from the molecular genetic analysis data. Russian Journal of Genetics. 2015;51(12):1401–1409. (In Russ.) DOI: 10.7868/S0016675815120139Видякин А.И., Боронникова С.В., Нечаева Ю.С., и др. Генетическая изменчивость, структура и дифференциация популяций сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) на северо-востоке Русской равнины по данным молекулярно-генетического анализа // Генетика. 2015. Т. 51, № 12. С. 1401–1409. DOI: 10.7868/S0016675815120139Prishnivskaya YaV, Nassonova ES, Chertov NS, et al. Genetic diversity within species of two species woody plants populations in Perm Krai. Bulletin of science and practice. 2019;5(4):58–68. (In Russ.) DOI: 10.33619/2414-2948/41/06Пришнивская Я.В., Нассонова Е.С., Чертов Е.С., и др. Внутривидовое генетическое разнообразие популяций двух видов древесных растений Пермского Края // Бюллетень науки и практики. 2019. Т. 5, № 4. С. 58–68. DOI: 10.33619/2414-2948/41/06Vasilyeva Y, Chertov N, Nechaeva Y, et al. Genetic structure, differentiation and originality of Pinus sylvestris L. populations in the East of the East European Plain. Forests. 2021;12(8):999. DOI: 10.3390/f12080999Vasilyeva Y., Chertov N., Nechaeva Y., et al. Genetic structure, differentiation and originality of Pinus sylvestris L. populations in the East of the East European Plain // Forests. 2021. Vol. 12, No. 8. ID 999. DOI: 10.3390/f12080999Prus-Glowacki W, Bernard E. Allozyme variation in population of Pinus sylvestris from a 1912 provenance trail in Pilawy (Poland). Silvae Genetic. 1994;43(2–3):132–138.Prus-Glowacki W., Bernard E. Allozyme variation in population of Pinus sylvestris from a 1912 provenance trail in Pilawy (Poland) // Silvae Genetic. 1994. Vol. 43, No. 2–3. P. 132–138.Tóth EG, Vendramin GG, Bagnoli F, et al. High genetic diversity and distinct origin of recently fragmented Scots pine (Pinus sylvestris L.) populations along the Carpathians and the Pannonian Basin. Tree Genetics and Genomes. 2017;13:47. DOI: 10.1007/s11295-017-1137-9Tóth E.G., Vendramin G.G., Bagnoli F., et al. High genetic diversity and distinct origin of recently fragmented Scots pine (Pinus sylvestris L.) populations along the Carpathians and the Pannonian Basin // Tree Genetics and Genomes. 2017. Vol. 13. ID47. DOI: 10.1007/s11295-017-1137-9Ilinov AA, Raevsky BV, Chirva OV. 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.). Ecological genetics. 2020;18(2):185–202. (In Russ.) DOI: 10.17816/ecogen19006Ильинов А.А., Раевский Б.В., Чирва О.В. Состояние генофондов основных лесообразующих видов водосбора Белого моря (на примере Picea × fennica (Regel) kom. и Pinus sylvestris L.) // Экологическая генетика. 2020. Т. 18, № 2. С. 185–202. DOI: 10.17816/ecogen19006Egorov EV. Allozyme geographical differentiation of Pinus sylvestris L. Populations in central Siberia and Trans-Baikalia. Siberian Journal of Forest Science. 2016;(5):12–20. (In Russ.) DOI: 10.15372/SJFS20160501Егоров Е.В. Аллозимная географическая дифференциация популяций Pinus sylvestris L. в средней Сибири и Забайкалье // Сибирский лесной журнал. 2016. № 5. С. 12–20. DOI: 10.15372/SJFS20160501Zatsepina KG, Tarakanov VV, Kalchenko LI, et al. Differentiation of scots pine populations in the belt pine forests of Altai Krai discovered with markers of various nature. Siberian Journal of Forest Science. 2016;(5):21–32. (In Russ.) DOI: 10.15372/SJFS20160502Зацепина К.Г., Тараканов В.В., Кальченко Л.И., и др. Дифференциация популяций сосны обыкновенной в ленточных борах Алтайского Края, выявленная с применением маркеров различной природы // Сибирский лесной журнал. 2016. № 5. С. 21–32. DOI: 10.15372/SJFS20160502Shigapov ZKh, Bakhtiyarova RM, Yanbaev YuA. Geneticheskaya struktura i differentsiatsiya prirodnykh populyatsii sosny obyknovennoi (Pinus sylvestris L.). Russian Journal of Genetics. 1995;31(10):1386–1393. (In Russ.)Шигапов З.Х., Бахтиярова Р.М., Янбаев Ю.А. Генетическая структура и дифференциация природных популяций сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) // Генетика. 1995. Т. 31, № 10. Р. 1386–1393.Ilinov AA, Raevsky BV. Genetic diversity of scots pine trees of different selection categories in plus stands of Karelia. Ecological genetics. 2021;19(1):23–35. (In Russ.) DOI: 10.17816/ecogen50176Ильинов А.А., Раевский Б.В. Генетическое разнообразие деревьев сосны обыкновенной Pinus sylvestris L. различных селекционных категорий в плюсовых насаждениях Карелии // Экологическая генетика. 2021. Т. 19, № 1. С. 23–35. DOI: 10.17816/ecogen50176Milyutina TN, Sheikina OV, Novikov PS. Molekulyarno-geneticheskie issledovaniya izmenchivosti klonov plyusovykh derev’ev Pinus sylvestris po ISSR-markeram. Conifers of the boreal area. 2013;(1–2):102–105. (In Russ.)Милютина Т.Н., Шейкина О.В., Новиков П.С. Молекулярно-генетические исследования изменчивости клонов плюсовых деревьев Pinus sylvestris по ISSR-маркерам // Хвойные бореальной зоны. 2013. № 1–2. С. 102–105.Gladkov YuF, Sheikina OV. Genetic polymorphism of the pinus sylvestris trees from bog land and upland cenopopulations on nuclear SSR loci. Vestnik of Volga State University of Technology. Series: Forest. Ecology. Nature Management. 2019;(4):70–79. (In Russ.) DOI: 10.25686/2306-2827.2019.4.70Гладков Ю.Ф., Шейкина О.В. Генетический полиморфизм деревьев сосны обыкновенной из смежных болотной и суходольной ценопопуляций по ядерным микросателлитным локусам // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия Лесная экология. Природопользование. 2019. № 4. С. 70–79. DOI: 10.25686/2306-2827.2019.4.70Sheikina OV, Gladkov YuF. Genetic diversity and differentiation of Pinus sylvestris L. Cenopopulations growing in bog land and upland ecotopes. Tomsk State University Journal of Biology. 2020;(50): 101–118. (In Russ.) DOI: 10.17223/19988591/50/5Шейкина О.В., Гладков Ю.Ф. Генетическое разнообразие и дифференциация ценопопуляций сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), сформированных в болотных и суходольных экотопах // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2020. № 50. С. 101–118. DOI: 10.17223/19988591/50/5Doyle JJ, Doyle JL. A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue. Phytochemical Bulletin. 1987;(19): 11–15.Doyle J.J., Doyle J.L. A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue // Phytochemical Bulletin. 1987. No. 19. P. 11–15.sites.ualberta.ca [Internet]. Yeh FC, Yang R, Boyle TJ. POPGENE VERSION 1.31 Microsoft Window-based Freeware for Population Genetic Analysis. Canada, Edmonton: University of Alberta, 1999. 28 p. [cited 2022 Jun 1]. Available at: https://sites.ualberta.ca/~fyeh/popgene.pdfsites.ualberta.ca [Электронный ресурс]. Yeh F.C., Yang R., Boyle T.J. POPGENE VERSION 1.31 Microsoft Window-based Freeware for Population Genetic Analysis. Canada, Edmonton: University of Alberta, 1999. 28 p. [дата обращения: 01.06.2022]. Доступ по ссылке: https://sites.ualberta.ca/~fyeh/popgene.pdfNei M. Genetic distance between populations. Am Nat. 1972;106(949):283–292. DOI: 10.1086/282771Nei M. Genetic distance between populations // Am Nat. 1972. Vol. 106, No. 949. P. 283–292. DOI: 10.1086/282771Nei M. Analysis of genetic diversity in subdivided population. PNAS. 1973;70(12):3321–3323. DOI: 10.1073/pnas.70.12.3321Nei M. Analysis of genetic diversity in subdivided population // PNAS. 1973. Vol. 70, No. 12. P. 3321–3323. DOI: 10.1073/pnas.70.12.3321Peakall R, Smouse PE. GenAlEx 6.5: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research an update. Bioinformatics. 2012;28(19):2537–2539. DOI: 10.1093/bioinformatics/bts460Peakall R., Smouse P.E. GenAlEx 6.5: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research an update // Bioinformatics. 2012. Vol. 28, No. 19. P. 2537–2539. DOI: 10.1093/bioinformatics/bts460Takezaki 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. DOI: 10.1093/molbev/msu093Takezaki 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. Vol. 31, No. 6. P. 1622–1624. DOI: 10.1093/molbev/msu093Cipriano J, Carvalho A, Fernandes C, et al. Evaluation of genetic diversity of Portuguese Pinus sylvestris L. populations based on molecular data and inferences about the future use of this germplasm. J Genet. 2013;92:41–48. DOI: 10.1007/s12041-013-0241-3Cipriano J., Carvalho A., Fernandes C., et al. Evaluation of genetic diversity of Portuguese Pinus sylvestris L. populations based on molecular data and inferences about the future use of this germplasm // J Genet. 2013. Vol. 92. P. 41–48. DOI: 10.1007/s12041-013-0241-3Hamrick J, Godt M, Sherman-Broyles S. Factors influencing levels of genetic diversity in woody plant species. New Forest. 1992;6:95–124. DOI: 10.1007/BF00120641Hamrick J., Godt M., Sherman-Broyles S. Factors influencing levels of genetic diversity in woody plant species // New Forest. 1992. Vol. 6. P. 95–124. DOI: 10.1007/BF00120641Sannikov SN, Petrova IV, Egorov EV, Sannikova NS. Searching for and revealing the system of pleistocene refugia for the species Pinus sylvestris L. Russian Journal of Ecology. 2020;(3):181–189. DOI: 10.31857/S0367059720030130Санников С.Н., Петрова И.В., Егоров Е.В. Санникова Н.С. Поиск и выявление системы плейстоценовых рефугиумов вида Pinus sylvestris L. // Экология. 2020. № 3. С. 181–189. DOI: 10.31857/S0367059720030130