Ecological geneticsEcological geneticsЭкологическая генетика1811-09322411-9202Eco-Vector1560510.17816/ecogen15605Genetic basis of ecosystems evolutionГенетические основы эволюции экосистемResearch ArticleGenetic differentiation of two phenotypes of Plantago media L. In South TimanГенетическая дифференциация двух фенотипов Plantago media L. На Южном Тиманеhttps://orcid.org/0000-0003-0918-745X36613922200P-9869-20153615-9301ZakhozhiyIlya G.ЗахожийИлья Григорьевич
Russian Federation

PhD, Researcher, Laboratory of Ecological Physiology of Plants

канд. биол. наук, научный сотрудник, лаборатория экологической физиологии растений

zakhozhiy@ib.komisc.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4365-014556644695300P-9808-20151453-3893ShadrinDmitry M.ШадринДмитрий Михайлович
Russian Federation

PhD, Researcher, Center for Collective Use “Molecular Biology”

канд. биол. наук, научный сотрудник, Центр коллективного пользования «Молекулярная биология»

shdimas@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4981-893056644812300P-9565-20155636-5693PylinaYana I.ПылинаЯна Игоревна
Russian Federation

Junior Research Scientist, Center for Collective Use “Molecular Biology”

мл. научный сотрудник, Центр коллективного пользования «Молекулярная биология»

yanapylina@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6299-22857801456952P-4940-20159787-2449ChadinIvan F.ЧадинИван Федорович
Russian Federation

PhD, Head of Moleculal Biology Core Facility

канд. биол. наук, руководитель, Центр коллективного пользования «Молекулярная биология»

chadin@ib.komisc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7993-95417004365574P-4922-20154344-7144GolovkoTamara K.ГоловкоТамара Константиновна
Russian Federation

Doctor of Science, Main Researcher, Laboratory of Ecological Physiology of Plants

д-р биол. наук, главный научный сотрудник, лаборатория экологической физиологии растений

golovko@ib.komisc.ruInstitute of Biology of Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesИнститут биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук14042020080720201821391480908201916012020Copyright ©; 2020, Zakhozhiy I.G., Shadrin D.M., Pylina Y.I., Chadin I.F., Golovko T.K.Copyright ©; 2020, Захожий И.Г., Шадрин Д.М., Пылина Я.И., Чадин И.Ф., Головко Т.К.2020Zakhozhiy I.G., Shadrin D.M., Pylina Y.I., Chadin I.F., Golovko T.K.Захожий И.Г., Шадрин Д.М., Пылина Я.И., Чадин И.Ф., Головко Т.К.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/ecolgenet/article/view/15605

Background. The investigation of the genetic nature of plant phenotypic variability is of great importance for understanding biological diversity, distribution and adaptation of plants to environmental conditions.

The aim of our work was to study the genetic differentiation of two phenotypes of Plantago media in South Timan.

Materials and methods. The genetic differentiation of light and shadow phenotypes of Plantago media plants was evaluated using intersimple sequence repeats (ISSR) markers.

Results. The population-genetic analysis of 210 loci revealed two clusters, which boundaries coincided with the boundaries between plants of light and shadow phenotypes. The results of the discriminatory analysis of the main components and AMOVA (FST = 0.07, p = 0.001) confirmed that there are statistically significant genetic differences between these phenotypes even though they possess a high genetic similarity.

Conclusion. Light and shadow Plantago media phenotypes adapted to different ecological conditions are genetically differentiated. The population genetic analysis using ISSR markers is a sensitive tool for identifying the genetic diversity of phenotypic plant variations formed under the influence of environmental factors.

Исследован уровень генетической дифференциации двух фенотипических вариаций Plantago media L. на Южном Тимане. Популяционно-генетический анализ с использованием межмикросателлитных маркеров (ISSR) по 210 локусам выявил два кластера, границы которых совпадали с границами между растениями светового и теневого фенотипа. Результаты дискриминационного анализа главных компонент и AMOVA (FST = 0,07, p = 0,001) подтвердили, что на фоне высокого генетического сходства существуют статистически значимые генетические различия между этими фенотипами. Полученные результаты свидетельствуют о роли экологических факторов в адаптивной дифференциации и проявлении генетического полиморфизма растений.

Plantago media L.genetic analysis of populationmicrosatellite markersgenetic polymorphismenvironmental conditionadaptationlightphenotypePlantago media L.популяционный генетический анализмежмикросателлитные маркерыгенетический полиморфизмэкологические условияадаптациясветфенотипГосударственное заданиеState taskАААА-А17-117033010038-7Проект Комплексной программы фундаментальных исследований УрО РАНDraft Comprehensive Program for Fundamental Research, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences18-4-4-20The work was carried out in terms of the budget theme "Physiology and Stress-Resistance of Plant Photosynthesis and that of Poikilohydric Photoautotrophs under Conditions of the North" (№ AAAA-A17-117033010038-7).Работа выполнена в рамках темы госбюджетных НИОКТР "Физиология и стресс-устойчивость фотосинтеза растений и пойкилогидрических фотоавтотрофов в условиях Севера" (№ АААА-А17-117033010038-7).Инге-Вечтомов С.Г. Что мы знаем об изменчивости? // Экологическая генетика. – 2010. – Т. 8. – № 4. – С. 4–9. [Inge-Vechtomov SG. What do we know about variability? Ecological genetics. 2010;8(4):4-9. (In Russ.)]Sultan SE. Phenotypic plasticity for plant development, function and life history. Trends Plant Sci. 2000;5(12):537-542. https://doi.org/10.1016/S1360-1385(00)01797-0.Флора Северо-Востока Европейской части СССР. Cемейства Umbelliferae-Compositae / Под ред. А.И. Толмачева. Т. 4. – Л.: Наука. Ленингр. отд-ние, 1977. – 312 с. [Flora Severo-Vostoka Evropeiskoi chasti SSSR. Semeistva Umbelliferae-Compositae. Vol. 4. Ed. by A.I. Tolmachev. Leningrad: Nauka. Leningr. otd-nie; 1977. 312 р. (In Russ.)]Kuiper PJ, Bos M. Plantago: a multidisciplinary study. Ecological Studies. 1992. https://doi.org/10.1007/978-3-642-76392-2.Golovko TK, Dalke IV, Zakhozhiy IG, et al. Functional plasticity of photosynthetic apparatus and its resistance to photoinhibition in Plantago media. Russ J Plant Physiol. 2011;58:549-59. https://doi.org/10.1134/S1021443711040054.Golovko T, Dymova O, Zakhozhiy I, et al. Photoprotection by carotenoids of Plantago media photosynthetic apparatus in natural conditions. Acta Biochimica Polonica. 2012;59:145-7. https://doi.org/10.18388/abp.2012_2192.Rozentsvet OA, Golovko TK, Bogdanova ES, et al. Polar lipid pool modification in leaves of hoary plantain (Plantago media L.) plants during their light adaptation under natural conditions. Biology Bulletin. 2013;40:138-145. https://doi.org/10.1134/S1062359013020118.Воробьева Л.А. Теория и практика химического анализа почв. – М.: Изд-во МГУ, 2006. – 400 с. [Vorob’eva LA. Teoriya i praktika khimicheskogo analiza pochv. Moscow: Publishing house Moscow State University; 2006. 400 р. (In Russ.)]R Core Team. R: A language and environment for statistical computing. Vienna, Austria: R Foundation for Statistical Computing; 2015.ISSR321 – The R-script for merging ISSR data replications [Online] GitHub / Accessed 16.08.2016. Доступно по: https://github.com/chadinkomi/ISSR321. Ссылка активна на 06.08.2019.Kamvar ZN, Tabima JF, Grünwald NJ. Poppr: an R package for genetic analysis of populations with clonal, partially clonal, and/or sexual reproduction. Peer J. 2014;2:e281. https://doi.org/10.7717/peerj.281.Jombart T, Devillard S, Balloux F. Discriminant analysis of principal components: a new method for the analysis of genetically structured populations. BMC Genet. 2010;11:94. https://doi.org/10.1186/1471-2156-11-94.Pritchard JK, Stephens M, Donnelly P. Inference of population structure using multilocus genotype data. Genetics. 2000;155(2):945-959.Falush D, Stephens M, Pritchard JK. Inference of population structure using multilocus genotype data: dominant markers and null alleles. Mol Ecol Notes. 2007;7(4):574-578. https://doi.org/10.1111/j.1471-8286.2007.01758.x.Evanno G, Regnaut S, Goudet J. Detecting the number of clusters of individuals using the software structure: a simulation study. Mol Ecol. 2005;14(8):2611-2620. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2005.02553.x.Jombart T. Adegenet: a R package for the multivariate analysis of genetic markers. Bioinformatics. 2008;24(11):1403-1405. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btn129.Bazzaz FA. Plants in changing environments: linking physiological, population, and community ecology. Cambridge; New York: Cambridge University Press; 1996.Любименко В.Н. Избранные труды. Работы по фотосинтезу и приспособлению растений к свету. Т. 1 / под ред. А.С. Оканенко. – Киев: Изд-во АН Украинской ССР, 1963. – 614 с. [Lyubimenko VN. Izbrannye trudy. Raboty po fotosintezu i prisposobleniyu rastenii k svetu. Vol. 1. Kiev: Izdatel’stvo AN Ukrainskoi SSR; 1963. 614 р. (In Russ.)]Горышина Т.К., Заботина Л.Н., Пружина Л.Г. Пластидный аппарат травянистых растений в разных условиях освещения // Экология. – 1975. – № 5. – С. 15–22. [Goryshina TK, Zabotina LN, Pruzhina LG. Plastidnyi apparat travyanistykh rastenii v raznykh usloviyakh osveshcheniya. Ekologiia. 1975;(5):15-22. (In Russ.)]Boardman NK. Comparative photosynthesis of sun and shade plants. Annu Rev Plant Physiol. 1977;28(1):355-377. https://doi.org/10.1146/annurev.pp.28.060177.002035.Masarovicová E, Štefančík L. Some ecophysiological features in sun and shade leaves of tall beech trees. Biol Plant. 1990;32(5):374-387. https://doi.org/10.1007/BF02898503.Larcher W. Physiological plant ecology: ecophysiology and stress physiology of functional groups. 4th ed. Berlin; New York: Springer; 2003.Kuiper D, Smid A. Genetic differentiation and phenotypic plasticity in Plantago major ssp. I. The effect of differences in level of irradiance on growth, photosynthesis, respiration and chlorophyll content. Physiol Plant. 1985;65(4):520-528. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1985.tb08684.x.Lambers H, Posthumus F, Stulen I, et al. Energy metabolism of Plantago major ssp. major as dependent on the supply of mineral nutrients. Physiol Plant. 1981;51(1):85-92. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1981.tb00883.x.Mudrik V, Kosobrukhov A, Knyazeva I, Pigulevskaya T. Changes in the photosynthetic characteristics of Plantago major plants caused by soil drought stress. Plant Growth Regulation. 2003;40(1):1-6. https://doi.org/10.1023/ A:1023009025426.Odat N, Hellwig FH, Jetschke G, Fischer M. On the relationship between plant species diversity and genetic diversity of Plantago lanceolata (Plantaginaceae) within and between grassland communities. J Plant Ecology. 2010;3(1):41-48. https://doi.org/10.1093/jpe/rtp017.