CC BY
52
УДК 575.17
раздел БИОЛОГИЯ
ПОЛИМОРФИЗМ БЕЛКОВ У ОДНОЛЕТНИХ ВИДОВ SALSOLA СЕКЦИИ KALI (SALSOLA APERTA, S. PAULSENII, S. PESTIFER И S. SOGDIANA).
© Е. В. Шуйская1*, К. Н. Тодерич2
1 Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН Россия, 127276 г. Москва, ул. Ботаническая 35.
E-mail: [email protected] 2Международный Центр по развитию сельского хозяйства на засоленных почвах (ИКБА).
Узбекистан, 100000 г. Ташкент, ул. Осие, 6а.
E-mail: [email protected]
Проанализирован полиморфизм белков у дикорастущих в пустынных и полупустынных районах Центральной Азии однолетних видов маревых: Salsola aperta, S. paulsenii, S. pestifer и
S. sogdiana. Уровень генетического разнообразия в популяциях данных видов невысокий и формируется под давлением экологических условий (независимо от генетической близости видов). Образуется две группы по условиям произрастания и уровню полиморфизма: сорные — более полиморфные (S. pestifer и S. sogdiana) и пустынные — менее полиморфные (S. paulsenii и S. aperta) виды.
Ключевые слова: полиморфизм белков, Salsola, Chenopodiaceae, пустыня.
Введение
Дикорастущие виды однолетних солянок (род Salsola, сем. Chenopodiaceae) относятся к видам-пионерам восстановления песчаных пустынь Центральной Азии. С таксономической точки зрения род Salsola (subfam. Salsoloideae) является одним из самых сложных и мало изученных. До настоящего времени основной темой дискуссий являются виды секции Salsola (Kali (Adanson) Ulbr.). Согласно литературным данным к секции Salsola Kali относится 20 видов, по которым опубликован ряд работ по биогеографическому распространению, морфо-эмбриологическиим и экофизиологическим особенностям [1, 2, 3]. Однако, виды данной секции морфологически очень схожи и характеризуются относительно малоинформативными ключевыми систематическими параметрами. Многие виды этой секции, произрастающие в основном на засоленных песчаных почвах пустыни Кызылкум являются эво-люционно молодыми и наблюдается большой интерес к экофизиологическим и генетическим особенностям данных однолетних пустынных видов и, следовательно, к их таксономии, эволюции и географическому распространению.
В популяционно-генетических исследованиях широко применяются изоферменты, которые проявляют внутривидовой полиморфизм и часто оказываются селективными маркерами, т.е. находящимися под давлением условий окружающей среды (стресса) [4, 5]. Популяционный подход к изучению полиморфизма белков, или адаптивной изменчивости ферментов, позволяет не только оценить генетическое разнообразие, но понять механизмы адаптации растений и их популяций к меняющимся условиям окружающей среды.
Целью данной работы было изучение полиморфизма белков (изоферментов) у четырех близких однолетних видов Salsola секции Kali, произрастающих в аридных (S. aperta, S. paulsenii) и полу-аридных (S. pestifer, S. sogdiana) условиях.
Материалы и методы
Объектами исследования послужили виды Salsola aperta Pauls., S. paulsenii Litw., S. pestifer Nelson. и S. sogdiana Iljin. Номенклатура исследуемых видов дана согласно «Флоре Узбекистана» [6]. Виды S. aperta и S. paulsenii встречаются в основном на солонцеватых песках, по окраинам песчаных массивов (барханов). Виды S. pestifer и S. sogdiana относятся к рудеральным, сорным растениям, произрастающим вдоль дорог, у поселений, на полях, а также на маломощных, закрепленных и прибрежных песках [7]. Семена для анализа были собраны в аридных условиях (пустыня Кызылкум, индекс аридности I = 3 - 5) в одной популяции S. aperta и 10 популяциях S. paulsenii, а также полу-аридных (Зеравшанская долина, I = 11 - 13) в 3 популяциях S. pestifer и одной S. sogdiana. Индекс аридности I = P/(T+10), где P - среднегодовые осадки, T - среднегодовая температура, согласно [8].
Изоферментный анализ проводили по ранее описанной методике для пустынных видов маревых
[9]. Анализировали восемь ферментов: глутаматок-салоацетаттрансаминазу (GOT, E.C. 2.6.1.1), диа-форазу (DIA, E.C. 1.6.99), глутаматдегидрогеназу (GDH, E.C. 1.4.1.2), супероксиддисмутазу (SOD, 1.15.1.1), глюкозо-6-фосфатдегирогеназу (G6PD, E.C. 1.1.1.49), 6-фосфогюконатдегирогеназу (6PGD, 1.1.1.44), малатдегидрогеназу (MDH, Е.С. 1.1.1.37), малик-энзим (Me, Е.С. 1.1.1.40). Гистохимическое окрашивание ферментов и генетическую интерпретацию осуществляли по Г. Г. Гончаренко с соавт.
[10] с некоторыми модификациями. Выявленные зоны активности ферментов и соответствующие им генные локусы обозначали сокращенными названиями ферментов. Нумерация локусов и аллелей проводилась в порядке убывания их электрофоретической подвижности от анода к катоду. Для оценки уровня генетической изменчивости в программе PopGen 32 рассчитывали следующие пока-
* автор, ответственный за переписку
затели: долю полиморфных локусов (Р99), среднее число аллелей на локус (А), среднюю наблюдаемую (Но) и ожидаемую (Не) гетерозиготности, генетические дистанции.
Результаты
Г лутаматоксалоацетаттрансаминаза (GOT
(AAT)) выявляется на электрофореграмме в виде двух зон активности с одинаковой электрофоретической подвижностью у S. paulsenii и S. pestifer, трех зон у S. aperta и двух зон у S. sogdiana, соответствующих самой быстрой и самой медленной зонам S. aperta (табл.). Зоны предположительно кодируются тремя локусами, один из которых (Got-
1, быстрая зона) был общим для всех изученных видов и оказался полиморфным (2 и более аллелей) у S. sogdiana. Локус Got-2 был полиморфным у S. paulsenii и S. pestifer, у S. aperta все три локуса оказались мономорфными.
Глутаматдегидрогеназа (GDH) у S. paulsenii представлена двумя зонами, у остальных видов одной (медленной) зоной активности, предположительно контролируемыми локусами Gdh-1 (быст-
рая) и Gdh-2 (медленная). Полиморфизм был обнаружен по локусу Gdh-2 только у S. pestifer (табл.).
Супероксиддисмутаза (SOD) представлена 3 зонами активности у S. aperta, двумя у S. sogdiana и одной (быстрой) у S. paulsenii и S. pestifer, предположительно контролируемыми тремя мономорф-ными локусами (Sod-1, Sod-2, Sod-З) (табл.).
Диафораза (DIA) у S. paulsenii и S. pestifer представлена двумя зонами активности c одинаковой электрофоретической подвижностью у обоих видов. У S. aperta и S. sogdiana обнаружена только одна зона активности, соответствующая быстрой зоне S. paulsenii и S. pestifer (табл.). Полиморфизм наблюдался у S. pestifer по локусу Dia-2 (медленная зона) и у S. sogdiana по локусу Dia-1 (быстрая зона).
6-фосоглюконатдегидрогеназа (6PGD) представлена двумя зонами активности с одинаковой электрофоретической подвижностью у видов S. aperta и S. sogdiana. У S. paulsenii и S. pestifer наблюдалась только медленная зона. Полиморфизм обнаружен у S. sogdiana по обоим локусам (табл.).
Таблица
Аллельные частоты по 20 локусам в популяциях четырех однолетних видов маревых
| Локусы | Аллели | S. aperta | S. paulsenii* | S. pestifer* | S. sogdiana \
Got-1 90 100 1.00 1.00 1.00 0.67 0.33
Got-2 90 100 1.00 0.04 0.96 0.26 0.74
Got-З 100 1.00 - - 1.00
Gdh-1 100 90 - 1.00 - -
Gdh-2 110 1.00 1.00 0.84 1.00
120 0.16
Sod-1 100 1.00 1.00 1.00 1.00
Sod-2 100 1.00 - - -
Sod-3 100 1.00 - - 1.00
Dia-1 90 100 1.00 1.00 1.00 0.19 0.81
Dia-2 90 100 1.00 0.75 0.25
6pgd-1 100 110 1.00 0.50 0.50
6pgd-2 100 105 1.00 1.00 1.00 0.29 0.71
G6pd 110 120 1.00 1.00 1.00 6 4 t-* <N 0. 0.
Mdh-1 80 0.03 0.02
90 1.00 1.00 0.97 0.98
Mdh-2 100 1.00 - - 1.00
Mdh-3 90 100 1.00 1.00 0.15 0.85
Mdh-4 100 1.00 1.00 1.00 1.00
Me-1 100 80 1.00 1.00 1.00 1.00
Me-2 90 100 1.00 1.00 0.47 0.02 0.98
110 0.53
Me-3 90 95 100 105 0.06 0.75 0.19 0.35 0.65 1.00
* видовой уровень (по 10 популяциям S. paulsenii и по 3 популяциям S. pestifer)
0.2 0.18 0.16 л 0.14
Н
0
£ 0.12
1 0., | 0.08 £ 0.06
0.04 0.02
S.paulsen][
,-*"V
S.aperta
S.pestifer
ж
жкxj-
S.sogdiana
Ж
Ж/
0''.^ 0.1 ,,-'0.2 0.3
доля полиморфных локусов
0.4
0.5
1
Рис. 1. Уровень генетического полиморфизма в популяциях однолетних видов маревых: круги - S. арвпа, ромбы - S. раыЬвпи, треугольники - S. pestifer, квадраты - S. sogdiana, черные - значение наблюдаемой гетерозиготности (Но), серые -значение ожидаемой гетерозиготности (Не). Звездочки - Ц других однолетников маревых: (1) рудеральные виды: S. tragus [18], S. komarovii [19]; (2) пустынные виды: Salsola incanescens, S. sclerantha, Climacoptera lanata, C. turcomanica,
C.longistilosa [17].
Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа (О6РБ) представлена одной зоной активности с одинаковой электрофоретической подвижностью у всех изученных видов, кодируемой локусом О6рё, полиморфным только у 8. sogdiana.
Малатдегидрогеназа (МБИ) представлена четырьмя зонами активности у 8. ареШ, и тремя у остальных видов, причем самая быстрая и самая медленная зоны (МёЬ-1, МёЬ-4) оказались общими для всех видов. Локус МёЬ-1 был полиморфным у 8. pestifer и 8. sogdiana, локус МёЬ-3 - только у 8. pestifer (табл.).
Малик-энзим (Ме) представлен 3 зонами активности с одинаковой электрофоретической подвижностью у 8. paulsenii, 8. pestifer и 8. sogdiana. У 8. aperta малик-энзим представлен только 2 быстрыми зонами активности. Первая зона, общая для всех видов, предположительно контролируется одним мономорфным у всех видов локусом Ме-1. Локус Ме-2 оказался полиморфным у 8. pestifer и 8. sogdiana, в то время как Ме-3 был полиморфным у 8. paulsenii и 8. pestifer (табл.).
В результате электрофореза 8 ферментных систем всего было обнаружено 20 локусов: 17 у 8. aperta, 15 у 8. sogdiana, 15 у 8. paulsenii, 14 у 8. pestifer (табл.). Из них 10 локусов (ОоМ, ОёЬ-2, 8оё-1, Б1а-1, 6pgd-2, О6рё, МёЬ-1, МёЬ-4, Ме-1, Ме-2) оказались общими для всех изученных видов. Таким образом, каждая ферментная система кодируется 1-2 общими для изученных видов локусами. Причем локусы 8оё-1, МёЬ-4 и Ме-1 оказались мо-номорфными по всем изученным видам. Всего бы-
ло найдено 37 аллелей и только 6 аллелей (ОоМ100, 8оё-1100, Б1а-1100, МёЬ-190, МёЬ-4100, Ме-1100) были общими для всех изученных видов.
Наибольшее количество аллелей найдено у 8. sogdiana (22) и 8. pestifer (21), но только 9 аллелей встречались у обоих видов. У 8. aperta и 8. paulsenii зафиксировано 17 и 18 аллелей, 7 из которых были общими для данных видов. Наибольшее количество общих аллелей оказалось у видов 8. paulsenii и 8. pestifer (16) и видов 8. aperta и 8. sogdiana (13). Вид 8. aperta отличается от трех других видов наличием локуса 8оё-3, 8. paulsenii характеризуется наличием локуса ОёЬ-1 и уникальным аллелем Ме-390. У вида 8. pestifer обнаружено 3 уникальных аллеля, у 8. sogdiana - 4. Однако ни один из найденных уникальных аллелей не является диагностическим для данных видов (т.е. частота встречаемости < 1). Редкие аллели, выявленные у 8. paulsenii, 8. pestifer и 8. sogdiana (табл.) находятся в популяциях в гетерозиготном состоянии. Гетерозиготы были обнаружены по локусам Оо1-2, ОёЬ-2, МёЬ-3 и Б1а-2 у 8. pestifer, Б1а-1, 6pgd-1,2 у 8. sogdiana и Ме-3 у 8. paulsenii.
В среднем количество аллелей на локус уменьшается в ряду 8. sogdiana (1.47), 8. pestifer (1.30), 8. paulsenii (1.06) и 8. aperta (1). Такая же тенденция наблюдается по доле полиморфных ло-кусов и уровню ожидаемой гетерозиготности (Не) (рис. 1). Уровень наблюдаемой гетерозиготности (Но) наибольшим оказался у 8. pestifer. У 8. sogdiana, в отличие от других видов наблюдался значительный дефицит гетерозигот (Но < Не). 85%
от общей выявленной изменчивости приходится на межвидовую (Б81 по [11]).
На основе коэффициентов генетической дистанции Нея [12] была проведена количественная оценка степени близости между исследованными видами (рис. 2). Наименьшее генетическое расстояние оказалось между видами 8. paulsenii и 8. pestifer (0.119), наибольшее - между 8. paulsenii и 8. aperta (1.043). Виды 8. aperta и 8. sogdiana образовали второй кластер на дендрограмме (рис. 1) с генетическим расстоянием равным 0.333. Генетическое расстояние между видами 8. paulsenii и 8. sogdiana составило 0.958, между 8. pestifer и видами 8. aperta, 8. sogdiana - 0.873 и 0.781 соответственно.
Обсуждение
Изученные нами ферментные системы у четырех видов 8alsola кодируются 1-4 локусами с 1-4 аллелями на локус. Наибольшим изоферментным спектром представлена малатдегидрогеназа: по 3 формы у 8. paulsenii, 8. pestifer и 8. sogdiana и 4 у 8. aperta, причем две из них (МёЬ-1 и МёЬ-4) оказались общими для всех изученных видов. Известно, что изоформы МБИ есть в различных компартмен-тах клетки (митохондрии, хлоропласты и цитоплазма) [13]. У культурных С4 видов (кукуруза, сорго, просо, сахарный тросник) найдено от 4 до 8 изоферментов КЛБ+-малатдегидрогеназы, а также стресс-индуцированые изоформы [14]. Данный фермент оказался полиморфным (на уровне Р99) у двух рудеральных видов (8. pestifer и 8. sogdiana), в то время как у пустынных видов все локусы были мономорфными. Малик-энзим считается более консервативным и обычно представлен 1-2 изоферментами [15]. Однако у изученных нами видов ферментная система малик-энзима была наиболее полиморфной: три локуса (два из которых общие для четырех видов) и 9 аллелей. Наименее полиморфной оказалась супероксиддисмутаза (один из важнейших ферментов антиоксидантной защитной системы), которая у всех изученных видов кодируется мономорфными локусами.
Рис. 2. Дендрограмма изученных видов, построенная на основе коэффициентов генетической дистанции Нея [12] с помощью невзвешенного парно-группового метода кластерного анализа (БРОМЛ).
Изученная популяция 8. aperta оказалась мо-номорфной по всем анализированным ферментным системам. Генетический полиморфизм у 8. paulsenii невысокий, но соответствует уровню генетического разнообразия других пустынных однолетних видов
маревых: Salicornia europaea [16], Salsola
incanescens, S. sclerantha, Climacoptera lanata, C. turcomanica, C.longistilosa [17] (рис. 2). Генетический полиморфизм S. pestifer и S. sogdiana сравним с таковым у рудеральных солянок секции Kali S. tragus (Р = 0.31, Но = 0.04) [18] и S. komarovii (Р = 0.30, Но = 0.113) [19] (рис. 1). Дефицит гетерозигот у S. sogdiana свидетельствует о давлении сильного стресса на данную популяцию [4].
Рассчитанные генетические дистанции между S. paulsenii и S. pestifer оказались на уровне отдаленных популяций или подвидов, что в некоторой степени согласуется с известным фактом о большой морфологической схожести данных видов [3, 20, 21]. Кроме того, известно, что S. paulsenii тесно связан с переходными формами, вероятно, гибридного происхождения, с одной стороны с S. pestifer, с другой - с псамофильным видом S. praecox Litw. [7]. Так как это эволюционно молодые виды [1, 22], то можно предположить, что расхождение видов от общего предка происходило (или происходит) по типу «центральные - периферийные популяции» [23]. Центром видообразования видов маревых, в частности рода Salsola, является пустыни Средней и Центральной Азии [24], и пустынные популяции S. paulsenii можно предположить как центральные. Генетическая структура данных популяций находится практически в равновесии (по Харди-Вайнбергу), что свидетельствует о стабильности условий окружающей среды. Низкий уровень полиморфизма можно рассматривать как следствие давления постоянного стресса. В отдаленных периферийных популяциях (полуаридные популяции S. pestifer), попавших в более изменчивые и благоприятные (окраины поселений, дорог, орошаемых полей) условия, формируется более высокий уровень полиморфизма и избыток гетерозигот (эффект небольшого, но разнообразного стресса [4, 23]).
Результаты наших исследований показывают, что экологические условия влияют на уровень генетического разнообразия независимо от генетической близости видов. Формируется две четких группы по экологическим условиям произрастания и уровню генетического разнообразия: сорные (S. pestifer и S. sogdiana) и пустынные (S. paulsenii и S. aperta) виды.
Выводы
1. Уровень полиморфизма белков у изученных видов невысокий и сравним с уровнем полиморфизма у других однолетних видов маревых.
2. S. paulsenii и S. pestifer - генетически (по частотам аллелей) очень близкие виды, но характеризуются различным уровнем генетического разнообразия: большим у S. pestifer из полуаридной зоны (средний стресс) и значительно меньшим у S. paulsenii из аридной зоны (сильный стресс). Селективными, т.е. находящимися под давлением условий окружающей среды, оказались пять локусов (Got-2, Gdh-1, Dia-3, Mdh-3, Me-2).
3. Уровень генетического разнообразия фор - 13.
мируется под давлением экологических условий - 14.
образуется две четких группы по экологическим условиям произрастания и уровню генетического полиморфизма: сорные (S. pestifer и S. sogdiana) и пустынные (S. paulsenii и S. aperta) виды. 15
ЛИТЕРАТУРА 16
1. Бочанцев В. П. Род Salsola L., краткая история его развития и расселения // Ботанический журнал. 1969. Т 54. №7.
С. 989-1001. 17.
2. Бутник А. А., Ашурметов О. А., Нигманова Р. Н., Пайзие-ва С. А. Экологическая анатомия пустынных растений
Средней Азии (полукустарники, полукустарнички). Т.: 18.
ФАН. 2001. 132 с.
3. Toderich K.N. Genus Salsola of Central Asian Flora: its struc-
ture and adaptive evolutionary trends. Doctorate thesis. Tokyo University of Agriculture and Technology. 2008. 165 p. 19.
4. Алтухов Ю. П. Генетические процессы в популяциях.
Москва: ИКЦ «Академкнига». 2003. 431 с.
5. Spooner D., van Treuren R., de Vicente M.C. Molecular markers
for genebank management. Technical Bulletin No. 10. Rome, Ita- 20.
ly: International Plant Genetic Resources Institute. 2005. 126 р.
6. Флора Узбекистана. Ташкент: Наука. 1953. Т. II. 548 с.
7. Грубов В. И. Растения Центральной Азии. По материалам 21.
Ботанического института им. В. Л. Комарова. Вып. 2. Маревые. Изд-во: Наука. М.-Л. 1966. 136с.
8. Encyclopedia of Climatology. 1987.
9. Шуйская Е. В., Рахманкулова З. Ф., Тодерич К. Н, Семи- 22.
ошина Е. С., Усманов И.Ю. Полиморфизм дыхательных белков у С4 вида Kochia prostrata (L.) Schrad в условиях засухи // Вестник Башкирского Университета. 2012. Т. 17.
№3. C. 1267-1271.
10. Гончаренко Г. Г., Падутов В. Е., Потенко В. В. Руково- 23.
дство по исследованию хвойных видов методом электрофоретического анализа изоферментов. Гомель. 1989. 150 с.
11. Wright S. Evolution and the genetics of populations. V. 2 // 24.
The theory of gene frequencies. Chicago: Univ. Chicago Press.
1984. 511 p.
12. Nei M. Genetic distance between populations // The American Naturalist. 1972. V. 106. N. 949. P. 283-292.
Scheibe R. Malate valves to balance cellular energy supply // Physiologia plantarum. 2004. V. 120. P. 21-26.
Епринцев А. Т., Федорина О. С. Функционирование ма-латдегидрогеназного комплекса в мезофилле и обкладке кукурузы в условиях солевого стресса // Журнал стресс-физиологии и биохимии. 2006. №2. С. 4-9.
Левитас Е. В. Генетика изоферментов растений. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение. 1986. 143 с.
Wolff S. L., Jefferies R. L. Morphological and isozyme variation in Salicornia europaea (s.l.) (Chenopodiaceae) in North America // Canadian Journal of Botany. 1987. №65. P. 14101419.
Shuyskaya E. V., Radjabov T. F., Toderich K. N., Gismatullina L. G. Diversity of annual С4 Chenopods in desert halophylic phytocenosis // Arid Environmental (в печати) Ryan F. J., Ayres D. R. Molecular markers indicate two cryptic, genetically divergent populations of Russian thistle (Salsola tragus) in California // Canadian Journal of Botany.
2000. V. 78. P. 59-67.
Kim S. T., Chung M. G. Genetic Variation and Population Structure in Korean Populations of Sand Dune Species Salsola komarovi (Chenopodiaceae) // J. Plant Res. 1995. V. 108. P. 195-203.
Rilke S. Revision der Section Salsola s.l. der Gattung Salsola (Chenopodiaceae) // Bibl. Bot. (Stuttgart). 1999. V. 149. P. 1190.
Toderich K.N., Shuyskaya E.V., Ozturk M., Juylova E.A., Gismatullina L.G. Pollen morphology of some Asiatic species of genus Salsola (Chenopodiaceae) and its taxonomical relationships // Pak.J.Bot. 2010. N.42. P. 155-174.
Гамалей Ю. В. Экологическая эволюция фотосинтеза и распределения фотосинтатов: С3 и С4 параллели в семействах цветковых растений. В кн.: Фотосинтез: физиология, онтогенез, экология. По ред. Е. С Роньжиной. Калининград. Из-во: ФГОУ ВПО «КГТУ». 2009. C. 7-39.
Safriel U. N., Volis S., Kark S. Core and peripheral populations and global climate change // Israel Journal of Plant Sciences. 1994. V. 42. P. 331-345.
Pyankov V., Ziegler H., Kuz'min A., Edwards G. Origin and evolution of C4 photosynthesis in the tribe Salsoleae (Chenopodiaceae) based on anatomical and biochemical types in leaves and cotyledons // Plant Systematics and Evolution.
2001. V. 230. P. 43-74.
Поступила в редакцию 13.03.2013 г.
