CC BY
35
УДК 576.316 : 582.572.225 (470.55/.58)
ИЗУЧЕНИЕ КАРИОЛОГИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ALLIUM HYMENORHIZUM LEDEB. В УСЛОВИЯХ ЮЖНОГО УРАЛА И БАШКИРСКОГО ПРЕДУРАЛЬЯ
© 2018 А.Г. Кутуева1, Н.А. Калашник1, Н.В. Маслова2
1 Южно-Уральский ботанический сад-институт - обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук 2 Уфимский Институт биологии - обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук
Статья поступила в редакцию 04.10.2018
Проведено изучение кариологической изменчивости редкого реликтового вида Allium hymenorhizum Ledeb. на примере популяций из Южного Урала и Башкирского Предуралья. Уста -новлено, что число хромосом в соматической ткани исследуемого вида 2n=16, хромосомы средних размеров, метацентрического и субметацентрического типов, на трех парах встречаются вторичные перетяжки. Изменчивость кариологических показателей характеризуется очень низким, низким и средним значением коэффициента вариации. Значимые различия между популяциями наблюдаются по относительной длине 1 и 8 пар, центромерному индексу 5 пары, по абсолютной длине хромосом различия незначимы.
Ключевые слова: Allium hymenorhizum, реликтовый вид, кариотип, популяционная изменчивость, Башкирское Предуралье, Южный Урал.
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 Пред-уралье - Благоварский район, окр д. Новокон-стантиновка [4]. Вид охраняется на территории ботанического памятника природы «Популяция
Кутуева Алия Галеевна, аспирант. E-mail: [email protected] Калашник Надежда Александровна, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории генетики и биотехнологии растений. E-mail: [email protected] Маслова Наталья Владимировна, кандидат биологических наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории геоботаники и растительных ресурсов. E-mail: [email protected]
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. Бахтига-реево (Южный Урал), интродуцирован живыми растениями в 2008 г.; 2) РБ, Благоварский р-н, окр. с. Новоконстантиновка (Башкирское Пред-
уралье), интродуцирован живыми растениями в 2014 г. Далее образцы (популяции) для удобства называем по месту их происхождения (Бахтига-реево, Новоконстантиновка). Семена для карио-логических 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, мор-фометрические параметры хромосом, а также морфометрические типы хромосом, согласно классификации В.Г. Грифа и Н.Д. Агаповой [14]. Для каждой хромосомы определяли следующие параметры: Ьа - абсолютную длину хромосомы (сумма длин короткого и длинного плеча), мкм; Iе - 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 (СУ<7 %), низкий (СУ=8-12 %), средний (СУ=13-20 %), повышенный (СУ=21-30 %), высокий (СУ=31-40 %), очень высокий (СУ>40 %). Определяли коэффициенты вариации, характеризующие изменчивость: СУ, % -по выборке, СУср, % - среднее значение коэффициентов вариации признаков во всех выборках (внутрипопуляционная изменчивость), СУМср, % - вычисленный по среднему значению признака (межпопуляционная изменчивость).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для А. НутепвтЫгит исследованных популяций установлено соматическое число хромосом 2п=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 (2п) в популяции Бахтигареево составляет 123,37±3,17 мкм, в популяции Новоконстантов-ка - 119,92±3,91.
Также установлено, что 1-7 пары хромосом метацентрического типа (1с>40), а 8 пара хромосом субметацентрического типа (30<1с<40%). На хромосомах метафазных пластинок обнаружены вторичные перетяжки. В частности, в популяции Бахтигареево вторичные перетяжки обнаружены на коротких плечах второй (8с=63,31), третьей (8с=54,50) и восьмой (8с=43,73) пар хромосом с частотой встречаемости 10,0%, 3,3%, 13,3%, соответственно, а в популяции Новокон-стантиновка - на коротком плече только восьмой пары (8с=50,00) с частотой встречаемости 10,0%. Идиограммы кариотипов исследуемых популяций, составленные по средним морфо-метрическим 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 вариа-
т Щ1 i
н
а
Рис. 1. Микрофотографии метафазных пластинок Allium hymenorhizum: a, б - Бахтигареево; в, г - Новоконстантиновка. Масштабная линейка равна 10 мкм
К к х п I) (I к и
(j )i и к и /I и и
а
б
Рис. 2. Хромосомные наборы Allium hymenorhizum: а - Бахтигареево; б - Новоконстантиновка. Масштабная линейка равна 4 мкм
ции, 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,
Таблица 1. Морфометрические параметры хромосом Allium hymenorhizum
№ пары Абсолютная длина Относительная длина Центромерный индекс
хромосом мкм О, % (Ic), %
M±m CV, % M±m CV, % M±m CV, %
Бахтигареево
1 9,28±0,17 14,02 7,52±0,04 4,18 46,44±0,32 5,39
2 8,64±0,16 14,38 7,01±0,03 3,87 45,56±0,47 7,96
3 8,06±0,15 13,98 6,54±0,03 3,05 46,08±0,28 4,76
4 7,78±0,15 14,67 6,30±0,02 2,50 46,01±0,38 6,39
5 7,51±0,14 14,19 6,09±0,02 3,03 44,81±0,51 8,80
6 7,23±0,13 14,26 5,85±0,02 3,19 45,30±0,35 6,05
7 6,81±0,13 14,93 5,51±0,02 3,48 43,46±0,68 12,20
8 6,39±0,12 14,10 5,18±0,03 4,70 39,73±0,80 15,67
Новоконстантиновка
1 9,24±0,21 17,84 7,70±0,05 4,65 47,11±0,23 3,78
2 8,46±0,20 18,65 7,07±0,06 6,11 46,53±0,30 4,93
3 7,90±0,19 18,56 6,58±0,03 3,11 46,14±0,29 4,86
4 7,49±0,18 18,27 6,24±0,03 3,36 46,68±0,26 4,33
5 7,25±0,17 17,72 6,05±0,03 3,27 46,45±0,27 4,46
6 6,98±0,16 18,01 5,82±0,03 3,74 45,43±0,41 6,96
7 6,59±0,16 18,23 5,49±0,03 4,35 43,88±0,56 9,86
8 6,05±0,15 18,75 5,05±0,05 8,27 40,87±0,67 12,75
а
б
Рис. 3. Идиограммы кариотипов Allium hymenorhizum: а - Бахтигареево; б - Новоконстантиновка.
Масштабная линейка равна 1 мкм
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 (2п=16) соответствует большинству проведен-
ных ранее исследований [5-7, 9, 10]. Исключением является популяция Заилийского Алатау, в которой выявлено число хромосом 2п=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 спирали-
Таблица 2. Изменчивость морфометрических показателей хромосом Allium hymenorhizum в исследуемых популяциях
Диапазоны варьирования и средние значения CV, % Внутри- и
в сравниваемых популяциях межпопуляционные
средние значения CV, %
Бахтигареево Новоконстантиновка CVcp CVmcp
CV (min-max) CVcp CV (min-max) CVcp
Абсолютная длина хромосом (La)
13,98-14,93 14,32 17,72-18,75 18,25 16,28 2,01
Относительная длина хромосом (Lr)
2,50-4,70 3,50 3,11-8,27 4,61 4,05 0,00
Центромерный индекс хромосом (Iе)
4,76-15,67 8,40 3,78-12,75 6,49 7,44 1,12
Таблица 3. Результаты оценки различий исследованных популяций Allium hymenorhizum по морфометрическим параметрам хромосом
№ пары хромосом Критерий Стьюдента tiaKT 1-2
La Lr Ic
1 0,142 2,927* 1,693
2 0,702 0,853 1,751
3 0,691 1,073 0,139
4 1,244 1,696 1,469
5 1,174 1,251 2,846*
6 1,186 0,955 0,234
7 1,083 0,485 0,471
8 1,823 2,135* 1,091
Примечание. Цифрами отмечены сравниваемые популяции:
1 - Бахтигареево, 2 - Новоконстантиновка; * - различия достоверны (1 =2,002 при р=0,05).
зацию хромосом. При сравнении результатов наших исследований с результатами, полученными ранее, наблюдается сходство по морфо-метрическим 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 - субакро-центрической. 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 2п=16, хромосомы средних размеров (от 6,05±0,15 до 9,28±0,17 мкм), метацен-трического (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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Опыт реинтродукции редкого реликтового вида Allium hymenorhizum Ledeb. (сем. Alliaceae) на Южном Урале / А.А. Мулдашев, Н.В. Маслова, А.Х. Га-леева, О.А Елизарьева // Современная ботаника в России. Тр. III Съезда РБО и конф. «Научные основы охраны и рационального использования растительного покрова Волжского бассейна». Т. 3. Охрана растительного мира. Ботаническое ресурсоведение. Культурные растения. Ботаническое образование. Тольятти: Кассандра, 2013. C. 149-150.
2. Красная книга Республики Башкортостан. Т. 1. Растения и грибы / под ред. д-ра биол. наук, проф. Б.М. Миркина. 2-е изд., доп. и перераб. Уфа: Изд-во МедиаПринт, 2011. 384 с.
3. Фризен Н.В. Род Allium L. // Флора Сибири. Araceae - Orchidaceae. Новосибирск: Изд-во Наука, CO, 1987. C. 55-96.
4. Мулдашев А.А., Маслова Н.В., Галеева А.Х. О находке реликтовой популяции Allium hymenorhizum Ledeb. (Alliaceae) в Республике Башкортостан // Флора и растительность Сибири и Дальнего Востока. Чтения памяти Л.М. Черепнина и материалы Шестой Всероссийской конференции с международным участием, посвященные 110-летию со дня рождения Л.М. Черепнина и 80-летию Гербария им. Л.М. Черепнина (KRAS). Красноярск, 2016. С. 145-150.
5. Вахтина Л.И. Числа хромосом некоторых видов лука, распространенных на территории СССР // Ботанический журнал. 1964. Т. 49. № 6. С. 870-875.
6. Вахтина Л.И. Сравнительно-кариологическое исследование некоторых видов лука секции Rhiziridium Don // Ботанический журнал. 1965. Т. 50. № 3. С. 387-394.
7. Закирова Р.О., Вахтина Л.И. Цитофотометриче-ские изучение некоторых видов лука секций Cepa Prokh. и Rizirideum Don // Функциональная морфология, генетика и биохимия клетки. Вып. 16. Л., 1974. С. 67-70.
8. Вахтина Л.И., Кудряшова Г.Л. Цитотаксономиче-ские исследования некоторых видов Allium в Казахстане // Ботанический журнал. 1977. Т.62. № 4. С.539-547.
9. Фризен Н.В. Числа хромосом представителей семейства Alliaceae из Сибири // Ботанический журнал. 1985. Т. 70. № 7. С. 1001-1002.
10. Фризен Н.В. Луковые Сибири. Новосибирск: Изд-во Наука, Сиб. отд-ние, 1988. 185 с.
11. Friesen N., Fritsch R.M., Blattner F.R. Phylogeny and new intrageneric classification of Allium (Alliaceae) based on nuclear ribosomal DNA ITS sequences // Aliso. 2006. Vol. 22. P. 372-395.
12. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. М.: Изд-во Колос, 1980. 304 с.
13. Хромосомные исследования растений в проблемах селекции, клеточной инженерии и генетическом мониторинге / В.Д. Турков, Ю.Л. Гужов, Г.А. Шелепина [и др.]. М.: Изд-во Ун-та дружбы народов, 1988. 64 с.
14. Гриф В.Г., Агапова Н.Д. К методике описания ка-риотипов растений // Ботанический журнал. 1986. Т. 71. № 4. С. 550-553.
15. Зайцев Г.Н. Методика биометрических расчетов. Математическая статистика в экспериментальной ботанике. М.: Изд-во Наука, 1973. 256 с.
16. Мамаев С.А. Формы внутривидовой изменчивости древесных растений (на примере семейства Pinaceae на Урале). М.: Изд-во Наука, 1973. 284 с.
STUDYING OF KARYOLOGICAL VARIABILITY OF ALLIUM HYMENORHIZUM LEDEB. IN THE CONDITIONS OF SOUTH URAL AND THE BASHKIR CIS-URALS
© 2018 A.G. Kutueva1, N.A. Kalashnik1, N.V. Maslova2
1 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 2 Ufa Institute of Biology - Subdvision of the Federal State Budgetary Scientific Institution of the Ufa Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences
Studying of karyological variability of a rare relict species of Allium hymenorhizum Ledeb is carried out on the example of populations from the South Ural and the Bashkir Cis-Urals. It was found that the number of chromosomes in the somatic tissue of the studied species is 2n=16, there are chromosomes of medium size, metacentric and submetacentric types, on three pairs there are secondary constrictions. The variability of karyological parameters is characterized by a very low, low and average coefficient of variation. Significant differences between the populations are observed in the relative length of 1 and 8 pairs, in the centromeric index of 5 pairs, in the absolute length of chromosomes the differences are insignificant. Keywords: Allium hymenorhizum, relict species, karyotype, population variability, Bashkir Cis-Urals, South Urals.
Aliya Kutueva, Postgraduate Student. E-mail: [email protected]
Nadezhda Kalashnik, Candidate of Biological Sciences, Leading Research of Laboratory of Genetics and Biotechnology Plants. E-mail: [email protected] Natalya Maslova, Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Senior Research, Fellow of Laboratory of Geobotany and Plants Resources. E-mail: [email protected]
