1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия биологическая
  4. № 1, 2023

Известия РАН. Серия биологическая, 2023, № 1, стр. 11-21

Генетическая дивергенция близкородственных видов Oxytropis strobilacea, Oxytropis adamsiana, Oxytropis vassilczenkoi ряда Strobilacei секции Orobia (Fabaceae) Азиатской России

А. Б. Холина 1, *, Е. В. Артюкова 1, В. В. Якубов 1, М. Г. Хорева 2, О. А. Мочалова 2, Д. В. Санданов 3, И. Ю. Селютина 4

1 Федеральный научный центр биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии Дальневосточного отделения РАН
690022 Владивосток, Россия

2 Институт биологических проблем Севера Дальневосточного отделения РАН
685000 Магадан, Россия

3 Институт общей и экспериментальной биологии Сибирского отделения РАН
670047 Улан-Удэ, Россия

4 Центральный Сибирский ботанический сад Сибирского отделения РАН
630090 Новосибирск, Россия

* E-mail: kholina@biosoil.ru

Поступила в редакцию 09.02.2022
После доработки 28.06.2022
Принята к публикации 28.06.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Генетическое разнообразие и дивергенция близкородственных видов Oxytropis strobilacea, O. adamsiana и O. vassilczenkoi ряда Strobilacei секции Orobia (Fabaceae) Азиатской России изучены по данным нуклеотидного полиморфизма межгенных спейсеров psbA–trnH, trnL–trnF и trnS–trnG хпДНК, а также ITS рДНК. Большинство популяций характеризуются средним и высоким уровнем генетического разнообразия хпДНК (h варьирует от 0.600 до 1.000). Выявлено 65 хлоротипов, общих хлоротипов у таксонов не обнаружено, что подтверждает статус O. vassilczenkoi как самостоятельного вида. У O. strobilacea выявлены две филетические линии, что указывает на интенсивно идущие процессы диверсификации. Один из семи риботипов ITS обнаружен у трех видов, что обусловлено их общим происхождением и относительно недавней дивергенцией.

Ключевые слова: Fabaceae, Oxytropis, Orobia, генетическое разнообразие, дивергенция, хлоропластная ДНК, ITS

Секция Orobia Bunge, самая крупная секция рода Oxytropis DC., включает ~110 видов в Европе, Азии и Америке (Малышев, 2008а). В Азиатской России секция представлена 75 видами и подвидами (Малышев, 2012). Во “Флоре СССР” (Васильченко и др., 1948) секция Orobia разделена авторами на пять многовидовых рядов: Sordidae Vass., Uralensis Vass., Ambiguae Vass., Longirostrae Vass., Songoricae Vass. В 2005 г. Князев (Князев, 2005) на основе тщательной типификации и пересмотра видов, относящихся к ряду Uralensis, предложил внести изменения в систематику секции Orobia. С учетом комплекса морфологических признаков он выделил семь сибирских видов родства O. uralensis (L.) DC. (O. adamsiana (Trautv.) Jurtzev, O. vassilczenkoi Jurtzev, O. ambigua (Pall.) DC., O. arctica R. Br., O. wologdensis Knjasev, O. karga Saposhn., O. subnutans (Jurtz.) Jurtz.) и O. strobilacea Bunge, как типовой вид, в самостоятельный ряд – ser. Strobilacei Knjasev.

Среди представителей ряда Strobilacei O. strobilacea является наиболее широко распространенным горно-степным видом – его ареал охватывает Северо-Восточный Казахстан, Южную Сибирь, Северную Монголию и Китайский Алтай (Малышев, 2008а), вид распространен в островных степях Алтая, юга Красноярского края и Тувы, в степях Приангарья, Бурятии, Забайкалья, встречается на юге Дальнего Востока в бассейнах рек Зеи и Алдана (Павлова, 1989; Пешкова, 2001), северный предел ареала – около 56° с.ш. Это очень полиморфный вид, у которого варьируют такие морфологические признаки, как степень опушения, длина цветоносов, прицветников и др. Для O. strobilacea известны разные варианты числа хромосом 2n = 16, 32, 48, 64, что может быть проявлением расовой дифференциации у вида с широким ареалом, а также при обитании в нескольких высотных поясах гор (Малышев, 2008а, 2008б).

К северу ряд Strobilacei представлен двумя видами близкого родства: O. adamsiana – на Становом нагорье, Таймыре и в бассейне рек Лены (в нижнем течении), Яны и Индигирки; O. vassilczenkoi – восточнее р. Колымы на Чукотском п-ове и Корякском нагорье (Юрцев, 1986; Павлова, 1989; Пешкова, 2001; Малышев, 2008а). Как самостоятельные виды O. adamsiana и O. vassilczenkoi впервые описаны Юрцевым в 1959 г. (Юрцев, 1959), ранее их относили к O. strobilacea. O. adamsiana представляет аркто-гипоарктическую и высокогорную расу от O. strobilacea, это тетраплоид с 2n = 32 (многие места), а для популяции на хр. Удокан установлено 2n = 48 (Малышев, 2008а). Анадыро-чукотский эндемик O. vassilczenkoi (2n = 32) тесно примыкает к O. adamsiana, но по ряду признаков существенно от него отличается и представляет собой наиболее обособившуюся арктическую расу родства O. uralensis (Юрцев, 1959, 1986; Малышев, 2008а). Однако существует мнение (Кожевников, 1980), что O. vassilczenkoi не является самостоятельным видом, а представляет собой подвид – O. adamsiana ssp. vassilczenkoi (Jurtz.) Ju. Kozhevn. Фенетический анализ видов секции Orobia (Малышев, 2008б) показал относительную близость O. adamsiana и O. vassilczenkoi и обособленность O. strobilacea. Так, на дендрограмме различий, построенной по данным анализа 47 качественных морфологических признаков, последний вид относился к ветви, значительно отдаленной от ветви с O. adamsiana и O. vassilczenkoi (Малышев, 2008б).

Реконструкция филогенетических связей видов рода Oxytropis, среди которых были случайно выбранные одиночные образцы O. strobilacea, O. adamsiana и O. vassilczenkoi, по данным секвенирования маркеров ядерного и хлоропластного геномов (Холина и др., 2016; Shavvon et al., 2017) показала, что взаимоотношения видов даже на уровне секций не были разрешены.

Настоящая работа является продолжением изучения генетического разнообразия, популяционной структуры и оценке степени дивергенции близкородственных видов рода Oxytropis (Kholina et al., 2018, 2021; Холина и др., 2019, 2020, 2021а, 2021б; Козыренко и др. 2020). Целью исследования является изучение генетического разнообразия и дивергенции видов O. strobilacea, O. adamsiana и O. vassilczenkoi ряда Strobilacei секции Orobia Азиатской России для уточнения таксономического статуса O. vassilczenkoi, а также реконструкция их филогенетических связей по данным изменчивости нуклеотидных последовательностей IGS psbA–trnH + trnL–trnF + trnS–trnG хпДНК и ITS рДНК.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Материалом служили 108 растений: O. strobilacea (55 образцов), O. adamsiana (16) и O. vassilczenkoi (37) из 16 природных местонахождений (табл. 1, рис. 1). Названия видов и секций приведены согласно обработке Малышева (2008а).

Таблица 1.

Исследуемые популяции Oxytropis strobilacea, O. adamsiana и O. vassilczenkoi и параметры генетического разнообразия по данным хпДНК

Местонахождение популяции (число образцов) Координаты
с.ш., в.д. 		Код Хлоротип Разнообразие
(стандартная ошибка)
гаплотипическое нуклеотидное
O. strobilacea
Республика Бурятия, Заиграевский р-н, окр. с. Заиграево (5) N 51.87514°,
E 108.24616° 		STR1 U1–U3 0.800 (0.164) 0.0009 (0.0007)
Республика Бурятия, Еравнинский р-н, окр. с. Комсомольское (10) N 52.478983°,
E 111.086773° 		STR2 U1–U7 0.867 (0.107) 0.0016 (0.0010)
Республика Бурятия, Курумканский р-н, окр. с. Майск (15) N 54.61287°,
E 110.77431° 		STR3 U8–U18 0.952 (0.040) 0.0032 (0.0018)
Республика Бурятия, Курумканский р-н, Джергинский заповедник, урочище Укшаки (5) N 55.203529°,
E 111.448749° 		STR4 U19–U23 1.000 (0.127) 0.0042 (0.0027)
Республика Бурятия, Тункинский р-н, окр. с. Торы (6) N 51.76222°,
E 102.95333° 		STR5 U24–U26 0.600 (0.215) 0.0013 (0.0009)
Республика Бурятия, Тункинский р-н, окр. с. Монды (3) N 51.69750°,
E 100.86746° 		STR6 U27–U29 – –
Республика Бурятия, Тункинский р-н, окр. с. Зун-Мурино (11) N 51.74499°,
E 102.86646° 		STR7 U26, U27,
U30–U36 		0.964 (0.051) 0.0025 (0.0015)
В целом для вида (55) 0.977 (0.009) 0.0049 (0.0025)
O. adamsiana
Центральный Таймыр, горы Бырранга, у северного берега бух. Ледяная оз. Таймыр (1) N 74.48824°,
E 99.6955° 		ADAM1 U37 – –
Юго-Западный Таймыр, плато Путорана, окр. южной оконечности оз. Аян (3) N 68.99894°,
E 94.49041° 		ADAM2 U37 – –
Юго-Восточный Таймыр, среднее течение р. Фомич, северный берег оз. Бессточное (1) N 71.67283°,
E 108.30425° 		ADAM3 U38 – –
Юго-Восточный Таймыр, среднее течение р. Котуй в р-не устья р. Медвежья (1) N 71.594564°,
E 102.663249° 		ADAM4 U39 (=H11*) – –
Республика Бурятия, Баунтовский р-н, окр. пос. Уакит, левый берег р. Уакит (10) N 55.56461°,
E 113.60958° 		ADAM5 U40–U47 0.956 (0.059) 0.0047 (0.0027)
В целом для вида (16) 0.933 (0.048) 0.0056 (0.0030)
O. vassilczenkoi          
Магаданская обл., Сусуманский р-н, окр. Тал-Юряха, долина р. Аркагала (14) N 63.33147°,
E 146.66242° 		VAS1 U48–U52 0.769 (0.083) 0.0005 (0.0004)
Магаданская обл., Северо-Эвенский р-н, долина р. Правые Имляки (1) N 65.096498°,
E 160.104725° 		VAS2 U51 (=H46*) – –
Чукотка, Билибинский р-н, пойма р. Ярковеем (9) N 66.93205°,
E 167.00095° 		VAS3 U51,
U53–U57 		0.917 (0.073) 0.0013 (0.0009)
Камчатский край, Олюторский р-н, Ветвейский хр. в окр. г. Сейнав (13) N 61.00551°,
E 166.04596° 		VAS4 U58–U65 0.897 (0.067) 0.0017 (0.0010)
В целом для вида (37) 0.935 (0.021) 0.0039 (0.0021)

Примечание. * хлоротипы, выявленные нами ранее (Холина и др., 2016), номера доступа нуклеотидных последовательностей IGS psbA–trnH, trnL–trnF и trnS–trnG хпДНК в GenBank/ENA/EMBL-EBI: H11 – LN898575, LN898537, LN898649; H46 – LN898519, LN898531, LN898643 соответственно.

Рис. 1.

Карта–схема с указанием места сбора растений видов Oxytropis strobilacea, O. adamsiana и O. vassilczenkoi из 16 природных местонахождений. Код популяции см. табл. 1.

Методы выделения ДНК, амплификации и секвенирования IGS psbA–trnH, trnL–trnF и trnS–trnG приведены в наших предыдущих работах (Kholina et al., 2018; Холина и др., 2021б). Регион ITS рДНК амплифицирован с праймерами ITS1 и ITS4 в реакционных условиях и температурном режиме, приведенных в работе (Mir et al., 2010). Нуклеотидные последовательности прямых и обратных цепей определяли на генетическом анализаторе ABI 3500 (“Applied Biosystems”, СШA) в ЦКП “Биотехнология и генетическая инженерия” ФНЦ Биоразнообразия ДВО РАН. Последовательности четырех регионов ДНК собирали и редактировали с помощью пакета программ Staden Package v1.5 (Bonfeld et al., 1995), затем выравнивали в программе SeaView v4.7 (Gouy et al., 2010).

Матрицу объединенных последовательностей трех IGS хпДНК использовали для расчета гаплотипического (h) и нуклеотидного (π) разнообразия (для популяций с числом образцов пять и более), степени дивергенции (Dxy) между популяциями/видами на основе нуклеотидных замен, анализа молекулярной дисперсии (AMOVA) с помощью пакетов программ Arlequin v3.5 (Excoffier, Lischer, 2010) и DnaSP v5 (Librado, Rozas, 2009). Статистическую значимость (P) индексов фиксации (ΦST) оценивали на основе 1023 пермутаций. Гаплотипы хпДНК и ITS были идентифицированы в DnaSP v5.

Сеть гаплотипов строили в программе Network v5.0 (Bandelt et al., 1999), кодируя каждую делецию/вставку, независимо от ее размера, как одно мутационное событие. Для гаплотипов хпДНК использован алгоритм медианного соединения (Median Joining, MJ), а для гаплотипов ITS – уменьшения медианы (Reduced Median, RM). В качестве внешней группы использовали полученные нами ранее для O. glabra (Lam.) DC. секции Mesogaea Bunge (Холина и др., 2018, 2021б) нуклеотидные последовательности psbA–trnH, trnL–trnF, trnS–trnG хпДНК (номера доступа в GenBank LT856572, LT856585, LT856598 соответственно) и ITS рДНК (LR898464).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Нуклеотидные последовательности IGS psbA–trnH, trnL–trnF и trnS–trnG хпДНК 108 образцов изучаемых видов характеризуются низкой нуклеотидной изменчивостью и разной длиной вследствие присутствия коротких (4–10 нуклеотидов) инделей, моно- и динуклеотидных повторов. Длина объединенных последовательностей трех регионов после выравнивания составила 2440 сайтов. Выявлено 17 нуклеотидных замен, из них 12 информативны согласно методу максимальной экономии. Видоспецифичных молекулярных маркеров нет.

Все исследуемые популяции (с числом образцов пять и более) трех видов характеризуются высоким гаплотипическим (h изменяется от 0.600 до 1.000) и низким и средним нуклеотидным (π изменяется от 0.0005 до 0.0047) разнообразием, мономорфных популяций нет (табл. 1). Дивергенция нуклеотидных последовательностей (Dxy) является одним из показателей степени генетической разобщенности популяций/видов. У O. strobilacea наибольшие значения Dxy определены между популяциями STR1 и STR2, с одной стороны, и всеми другими, с другой (табл. 2). У O. adamsiana наибольшие различия (0.00167) выявлены между популяциями ADAM1–ADAM3 и между ADAM2–ADAM3. У O. vassilczenkoi только популяция VAS4 значительно удалена (0.00205) от всех других, между которыми нуклеотидная дивергенция отсутствует (табл. 2). Согласно результатам AMOVA (табл. 3), у O. strobilacea и у O. adamsiana генетическая изменчивость распределена почти в равных долях между и внутри популяций, а у O. vassilczenkoi около 78% всей генетической изменчивости приходится на межпопуляционные различия. Нуклеотидная дивергенция между видами O. strobilacea и O. adamsiana, а также между O. strobilacea и O. vassilczenkoi составила 0.00170 для каждой пары, а между O. adamsiana и O. vassilczenkoi – 0.00091, но эти межвидовые значения Dxy соответствуют межпопуляционному уровню (табл. 2). Иерархический AMOVA (табл. 3) показал низкую межвидовую дифференциацию – менее 28% изменчивости приходится на межвидовые различия.

Таблица 2.

Нуклеотидная дивергенция между популяциями видов Oxytropis strobilacea, O. adamsiana и O. vassilczenkoi по данным хпДНК

Попу-ляция STR1 STR2 STR3 STR4 STR5 STR6 STR7 ADAM1 ADAM2 ADAM3 ADAM4 ADAM5 VAS1 VAS2 VAS3 VAS4
STR1 – 0.90 (0) 3.93 (3) 4.40 (3) 4.63 (3) 2.80 (2) 3.16 (2) 3.80 (3) 3.80 (3) 5.80 (5) 3.80 (3) 6.20 (5) 5.80 (5) 5.80 (5) 5.80 (5) 4.72 (3)
STR2 0.038 – 3.63 (3) 4.10 (3) 4.33 (3) 2.50 (2) 2.86 (2) 3.50 (3) 3.50 (3) 3.50 (3) 3.50 (3) 5.90(5) 5.50 (5) 5.50 (5) 5.50 (5) 4.42 (3)
STR3 0.164 0.152 – 0.71 (0) 0.97 (0) 1.13 (1) 0.77 (0) 2.13 (2) 2.13 (2) 4.33 (4) 2.13 (2) 4.53 (4) 4.13 (4) 4.13 (4) 4.13 (4) 3.06 (2)
STR4 0.184 0.171 0.030 –   1.60 (1) 1.24 (0) 2.60 (2) 2.60 (2) 4.00 (4) 2.60 (2) 5.00 (4) 4.60 (4) 4.60 (4) 4.60 (4) 3.52 (2)
STR5 0.193 0.181 0.040 0.060 – 1.83 (1) 1.43 (0) 2.83 (2) 2.83 (2) 4.83 (4) 2.13 (2) 5.23 (4) 4.83 (4) 4.83 (4) 4.83 (4) 3.76 (2)
STR6 0.117 0.104 0.047 0.067 0.077 – 0.36 (0) 1.00 (1) 1.00 (1) 3.00 (3) 1.00 (1) 3.00 (3) 3.00 (3) 3.00 (3) 3.00 (3) 1.92 (1)
STR7 0.132 0.120 0.032 0.052 0.061 0.015 – 1.36 (1) 1.64 (1) 3.36 (3) 1.36 (1) 3.76 (3) 3.36 (3) 3.36 (3) 3.36 (3) 2.29 (1)
ADAM1 0.159 0.147 0.089 0.109 0.119 0.042 0.057 – 3.60 (3) 4.00 (4) 0.00(0) 3.60 (3) 4.00 (4) 4.00 (4) 4.00 (4) 0.92 (0)
ADAM2 0.159 0.147 0.089 0.109 0.119 0.042 0.057 0.151 – 4.00 (4) 0.00 (0) 3.60 (3) 4.00 (4) 4.00 (4) 4.00 (4) 0.92 (0)
ADAM3 0.242 0.230 0.173 0.192 0.202 0.125 0.140 0.167 0.167 – 4.00 (4) 0.40 (0) 0.00 (0) 0.00 (0) 0.00 (0) 4.92 (4)
ADAM4 0.159 0.147 0.089 0.109 0.089 0.042 0.057 0.000 0.000 0.167 – 3.60 (3) 4.00 (4) 4.00 (4) 4.00 (4) 0.92 (0)
ADAM5 0.260 0.247 0.190 0.210 0.219 0.142 0.158 0.151 0.151 0.017 0.151 – 0.40 (0) 0.40 (0) 0.40 (0) 4.52 (3)
VAS1 0.242 0.230 0.173 0.192 0.202 0.125 0.140 0.167 0.167 0.000 0.167 0.017 – 0.00 (0) 0.00 (0) 4.92 (4)
VAS2 0.242 0.230 0.173 0.192 0.202 0.125 0.140 0.167 0.167 0.000 0.167 0.017 0.000 – 0.00 (0) 4.92 (4)
VAS3 0.242 0.230 0.173 0.192 0.202 0.125 0.140 0.167 0.167 0.000 0.167 0.017 0.000 0.000 – 4.92 (4)
VAS4 0.197 0.185 0.128 0.147 0.157 0.080 0.095 0.039 0.039 0.205 0.039 0.189 0.205 0.205 0.205 –

Примечание. Выше диагонали – среднее число нуклеотидных различий (число фиксированных различий), ниже диагонали – среднее число нуклеотидных замен на один сайт × 10–2. Код популяции см. табл. 1.

Таблица 3.

Распределение генетической изменчивости (AMOVA) у видов Oxytropis strobilacea, O. adamsiana и O. vassilczenkoi по данным хпДНК

Источник дисперсии Генетические различия (%) между
группами популяциями внутри групп особями в популяции
Популяции видов Oxytropis
Одна группа: (все популяции O. strobilacea) – 54.35* 45.65
Одна группа: (все популяции O. adamsiana) – 43.34** 56.66
Одна группа: (все популяции O. vassilczenkoi) – 77.57* 22.43
Три группы: (все популяции O. strobilacea), (все популяции O. adamsiana), (все популяции O. vassilczenkoi) 27.50* 45.16* 27.33*
Гаплогруппы, выявленные в Network анализе
Три группы: (I), (II), (III) 35.86* 37.64* 26.50*
Две группы: (I), (II) 47.34** 20.41* 32.25*
Две группы: (I), (III) 45.88** 36.87* 17.26*
Две группы: (I и II), (III) 27.09** 46.45* 26.46*
Две группы: (II), (III) 26.94** 43.43* 29.63*

Примечание. * P < 0.0001; ** 0.0009 < P < 0.05. Уровень значимости определен на основе 1023 пермутаций.

Анализ 108 последовательностей выявил 65 гаплотипов (хлоротипов) (U1–U65, табл. 1), последовательности которых депонированы в DDBJ/ ENA/Genbank-INSDC под номерами OV260579–OV260641, OV260679–OV260741, OV260768–OV260830 для psbA–trnH, trnL–trnF и trnS–trnG соответственно. O. strobilacea принадлежит 36 хлоротипов (U1–U36), O. adamsiana – 11 (U37–U47), O. vassilczenkoi – 18 (U48–U65), общих хлоротипов у таксонов не обнаружено. В медианной сети генеалогических связей можно выделить три гаплогруппы (рис. 2а), которые расходятся от гипотетического хлоротипа (не обнаруженный в нашем исследовании или вымерший предковый) и разделены 7–10 мутационными шагами. Две гаплогруппы образуют хлоротипы O. strobilacea: гаплогруппа I – U1–U7 (популяции STR1 и STR2); гаплогруппа II – U8–U36 (STR3–STR7). Гаплогруппу III формируют все хлоротипы O. adamsiana и O. vassilczenkoi (U37–U65), в которой их распределение не соответствует ни популяционной, ни таксономической принадлежности, что указывает на генетическую однородность данной группы (рис. 2а). В гаплогруппах I и II соседние хлоротипы связаны, в основном, 1–2 мутационными переходами, в то время как в гаплогруппе III некоторые хлоротипы удалены друг от друга на 4–8 мутационных шагов (рис. 2а). Наличие альтернативных связей (петлевые структуры в сети) между хлоротипами в гаплогруппах II и III (рис. 2а) не позволяет однозначно установить взаимоотношения между популяциями каждого из видов. Только гаплогруппа I, включающая хлоротипы U1–U7 популяций STR1 и STR2 O. strobilacea, имеет специфические маркеры: две замены – A в позициях 1468 и 2130 общей матрицы, у всех других G и T соответственно, и вставка четырех нуклеотидов (TTTA, позиции 257–260), отсутствующая у всех других. Иерархический AMOVA показал, что ~36% изменчивости обусловлено различиями между тремя гаплогруппами (табл. 3). Однако необходимо отметить, что генетические различия между гаплогруппой I и гаплогруппами II и III в 1.7 раза выше таковых между гаплогруппами II и III (табл. 3), что свидетельствует о значительной генетической обособленности гаплогруппы I.

Рис. 2.

Филогенетические связи видов Oxytropis strobilacea, O. adamsiana и O. vassilczenkoi: (а) – генеалогическая сеть хлоротипов хпДНК (U1–U65), построенная с помощью MJ-метода. Размер окружностей отражает частоту встречаемости гаплотипов, маленькие черные кружки – гипотетические хлоротипы, поперечные тонкие пересекающие линии на ветвях – мутационные события, толстые черные и белые пересекающие линии – индели, вставки и делеции нуклеотидов соответственно. Сплошной линией обозначены гаплогруппы I–III. Мутации для O. glabra, используемого в качестве внешней группы, не указаны и не рассматриваются; (б) – генеалогическая сеть риботипов ITS рДНК (RU1–RU7), построенная с помощью RM-метода. Размер окружностей отражает частоту встречаемости риботипов, поперечные тонкие пересекающие линии на ветвях – мутационные события.

Таким образом, филогенетический анализ генеалогических связей хлоротипов и выявленные специфические молекулярные маркеры показывают, что у трех близкородственных видов ряда Strobilacei секции Orobia рода Oxytropis существует три эволюционные ветви/линии хпДНК: 1) O. strobilacea (популяции STR1 и STR2); 2) O. strobilacea (популяции STR3–STR7); 3) O. adamsiana–O. vassilczenkoi.

Регион ITS рДНК амплифицирован у 71 образца: O. strobilacea (40 образцов), O. adamsiana (14) и O. vassilczenkoi (17), представляющих все выявленные в данной работе гаплотипы хпДНК. 19 образцов с внутригеномной изменчивостью были исключены из дальнейшего анализа. Нуклеотидные последовательности ITS 52 образцов характеризуются одинаковой длинной (603 п.н.) и низкой нуклеотидной изменчивостью: 597 сайтов были мономорфными и шесть вариабельными и информативными согласно методу максимальной экономии. Четыре замены (позиции 119, 122, 166, 227) обнаружено в ITS1 и две (позиции 466, 564) – в ITS2. Выявлено семь гаплотипов (риботипов), которые депонированы в DDBJ/ENA/Genbank-INSDC под номерами доступа OV257425–OV257433. O. strobilacea принадлежат три риботипа (RU1–RU3), O. adamsiana – два риботипа (RU3 и RU4), O. vassilczenkoi – четыре риботипа (RU3, RU5–RU7). Риботип RU3 является общим для всех трех видов, он наиболее распространен у O. strobilacea (27 образцов), у O. adamsiana и O. vassilczenkoi представлен в 9 и одном образцах соответственно. Медианная сеть генеалогических связей риботипов имеет звездчатую структуру (рис. 2б), в центре которой расположен риботип RU3, связанный одномутационными переходами с другими риботипами (рис. 2б). Следует отметить, что у O. strobilacea риботип RU1 определен только в образцах популяции STR1, а RU2 – только в STR2.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Анализ полиморфизма нуклеотидных последовательностей IGS psbA–trnH + trnL–trnF + + trnS–trnG хпДНК у O. strobilacea, O. adamsiana и O. vassilczenkoi выявил высокий уровень генетического разнообразия (табл. 1). Установленные высокие показатели генетической изменчивости для O. strobilacea (табл. 1) в целом характерны для полиморфных видов с обширным ареалом. Так, у обитающего на севере Китая O. diversifolia E. Peter (Wang et al., 2021) по данным нуклеотидного полиморфизма пяти IGS хпДНК (trnT–psbD, petN–psbM, trnS–trnG, psbE–petL и интрона rpl16) также выявлено высокое генетическое разнообразие (h = 0.880, π = 0.0006). Близкие значения параметров генетического разнообразия имели широко распространенные виды O. oxyphylla (Pall.) DC. и O. lanata (Pall.) DC. (Холина и др., 2019), которые, как и изученные популяции O. strobilacea и высокополиморфная популяция ADAM5 O. adamsiana, находятся в Байкальской Сибири – одном из центров видообразования и разнообразия рода Oxytropis (Малышев, Пешкова, 1984; Положий, 2003). Байкальский очаг видообразования характеризуется уникальностью и богатством видового состава флоры, что обусловлено орографией и особенностями климата данного региона (Малышев, Пешкова, 1984; Намзалов, 2009). Вероятно, установленный уровень полиморфизма популяций O. strobilacea и O. adamsiana может быть связан с разнообразием эколого-ценотических условий произрастания, а также с соответствием этих условий экологическим потребностям видов.

В то же время для анадыро-чукотского эндемика O. vassilczenkoi, обитающего, в основном, в арктических широтах, высокий уровень гаплотипического разнообразия (табл. 1) является не совсем обычным. Известно, что для эндемичных видов в целом характерен невысокий уровень полиморфизма. Так, у O. neimonggolica C.W. Chang & Y.Z. Zhao, узколокального эндемичного вида, произрастающего на севере Китая, по данным изменчивости пяти IGS хпДНК в популяциях h изменялось от 0.250 до 0.679 (Wang et al., 2021). Что касается арктических видов, для изученных нами ранее видов Oxytropis секции Arctobia (Холина и др., 2020) и Gloeocephala (Kholina et al., 2022) характерно наличие мономорфных или слабополиморфных популяций, с высокой степенью дивергенции, что в значительной степени объясняется историей формирования ареалов видов. При наступлении ледников популяции резко сокращали площади и эффективную численность (эффект “бутылочного горлышка”), а при реколонизации постледниковых территорий популяции восстанавливались из сохранившихся рефугиумов (эффект “основателя”).

Допустимо предположить, что неожиданно высокий для арктического эндемика уровень генного разнообразия O. vassilczenkoi отчасти обусловлен его происхождением от высокополиморфного O. strobilacea и сохранением анцестрального полиморфизма. Подобный уровень изменчивости, связанный с поддержанием анцестрального полиморфизма, был обнаружен нами ранее (Kholina et al., 2021) в популяциях реликтового эндемичного вида O. triphylla (Pall.) Pers. (h от 0.800 до 1.000), а также в реликтовых популяциях Astragalus onobrychis L. (Plenk et al., 2020), в которых гаплотипическое разнообразие по данным полиморфизма atpI–H, ycf1 и интрона rpL16 хпДНК изменялось от 0.833 до 1.000. Кроме того, разнообразие гаплотипов в популяциях O. vassilczenkoi, особенно в популяции VAS4 (восемь гаплотипов в выборке из 13 растений, табл. 1), может указывать на существование рефугиумов на данной территории во время колебаний климата. Наконец, определенный вклад может вносить система размножения видов Oxytropis (половой тип репродукции и перекрестное опыление) и обмен генами между существующими популяциями.

Отсутствие нуклеотидной дивергенции между популяциями O. vassilczenkoi из Магаданской области (VAS1, VAS2) и с Чукотки (VAS3) указывает на то, что эти локальности являются частями одной региональной метапопуляции, между которыми происходит интенсивный обмен генами. Популяция VAS4 из Олюторского р-на Камчатского края значительно дивергирована от трех других (DXY = 0.00205, табл. 2), и значения дивергенции даже превышают межвидовые (DXY = 0.00091, 0.00170, табл. 2). Подобные высокие значения нуклеотидной дивергенции были определены между популяциями O. ochotensis Bunge из Магаданской области и Камчатки (DXY = 0.00167), расстояние между которыми было около 800 км, а также между филетическими линиями хпДНК O. ruthenica Vass. (DXY от 0.00188 до 0.00206) (Козыренко и др., 2020). Высокий уровень межпопуляционной дифференциации у O. vassilczenkoi (77.57%, табл. 3) связан, вероятнее всего, именно с изолированным положением популяции VAS4. Это отражено и в медианной сети генеалогических связей хлоротипов (рис. 2а), в которой группа хлоротипов популяции VAS4 (U58–U65) занимает терминальную позицию на ветви, формирующей гаплогруппу III. Следует отметить, что только в популяции VAS4 были обнаружены риботипы RU6 и RU7 ITS рДНК, отсутствующие в остальных изученных популяциях.

Показатели нуклеотидной дивергенции между популяциями O. strobilacea (табл. 2) в ряде случаях также превышают межвидовые значения, что указывает на активное протекание микроэволюционных процессов у данного вида. Об этом свидетельствует и формирование двух филетических линий хпДНК (рис. 2а), у одной из которых присутствуют специфические маркеры. Наличие у O. strobilacea двух обособленных филетических линий, уровень дифференциации между которыми превышает таковой между O. strobilacea и двумя остальными видами (табл. 3), достаточно неожиданно, учитывая компактное географическое расположение популяций O. strobilacea в Прибайкалье (рис. 1). Подобная диверсификация может быть обусловлена, в значительной мере, сложной топографией региона. Влияние топографии, как одного из ведущих факторов видообразования у растений, неоднократно было отмечено ранее (Blanco-Pastor et al., 2019; Mahmoudi Shamsabad et al., 2019) и нами (Kholina et al., 2018) для O. glandulosa Turcz. – узколокального эндемика, обитающего на восточном побережье оз. Байкал. У O. glandulosa были обнаружены две дивергентные филетические линии, каждая из которых имела специфические маркеры, что позволило нам предположить наличие криптического вида. Помимо влияния рельефа и изоляции популяций, определенный вклад в формирование филетических линий O. glandulosa внесло наличие хромосомных рас у этого вида, что характерно и для O. strobilacea (2n = = 16, 32, 48 и 64) (Малышев, 2008а). Внутривидовая дивергенция, приводящая к появлению четко обособленных филетических линий, выявлена нами и для других видов Oxytropis: O. ruthenica (Козыренко и др., 2020), O. anadyrensis, O. borealis и O. middendorffii секции Gloeocephala (Kholina et al., 2022). По данным нуклеотидного полиморфизма пяти IGS хпДНК (Wang et al., 2021) у Oxytropis leptophylla (Pall.) DC., обитающего на севере Китая, выявлены две филетические линии, которые в генеалогической сети гаплотипов разделены 18 мутационными шагами, а на филогенетическом древе формируют разные обособленные ветви.

Невысокий уровень дифференциации, установленный между тремя близкими видами ряда Strobilacei (табл. 3), характерен и для других близкородственных видов Oxytropis, например, для пяти видов секции Orobia (35.2%) (Козыренко и др., 2020). Между близкими видами Potentilla volgarica Juz. и P. eversmanniana Fisch. ex Ledeb. по данным нуклеотидного полиморфизма IGS ndhC-trnV и psbA-trnH (Schanzer et al., 2020) генетические различия составляют 16.18% от общей изменчивости, а для четырех близких видов Indigofera L., обитающих в Восточной Азии, по данным ndhJ-trnF и trnD-trnT (Zhao et al., 2017) на межвидовые различия приходится только 7.56% изменчивости, при этом у видов есть общие гаплотипы.

Что касается изменчивости ITS рДНК у трех видов ряда Strobilacei, всего обнаружено семь риботипов и из них один общий для всех, в сравнении с данными хпДНК – 65 хлоротипов и общих нет (рис. 2а, 2б). Подобная картина встречается у других видов растений (Hou et al., 2017; Blanco-Pastor et al., 2019; Козыренко и др., 2020). Так, для пяти видов рода Dendrobium Sw. было выявлено 34 хлоротипа по данным нуклеотидного полиморфизма IGS accD–psaI, trnC–petN и rps15–ycf1 хпДНК и 25 риботипов ITS, из последних два наиболее распространенных были общими для разных видов (Hou et al., 2017). Авторы объясняют наличие общих риботипов проявлением анцестрального полиморфизма предкового вида или существующим потоком генов, а также гибридизацией. В случае с видами ряда Strobilacei допустимо предположить вероятность гибридизации между O. strobilacea и O. adamsiana в зоне их симпатрии, однако по данным хпДНК эти виды генетически обособлены. Что касается O. vassilczenkoi, с учетом современного распространения видов, гибридизация между ним и остальными двумя видами маловероятна. Поэтому наличие общего риботипа у трех видов ряда Strobilacei в большей мере может быть связано именно с полиморфизмом предковой формы, быстрой адаптивной радиацией и неполным расхождением генеалогических линий. Ранее, при изучении шести видов Oxytropis, относящихся к трем разным подродам Phacoxytropis, Tragacanthoxytropis и Oxytropis рода Oxytropis (Холина и др., 2021б), нами было выявлено наличие у них общего риботипа. Это может быть обусловлено их общим происхождением и относительно недавней быстрой радиацией, отмеченной для рода Oxytropis (Shavvon et al., 2017). Быстрая радиация видов в ряде случаев может сопровождаться быстрой изоляцией, как показано для видов Indigofera (Zhao et al., 2017). На неполное расхождение филетических линий O. adamsiana и O. vassilczenkoi указывает и распределение хлоротипов, не соответствующее их таксономической принадлежности (гаплогруппа III, рис. 2а), как это было выявлено нами ранее для четырех видов Oxytropis секции Polyadena (Холина и др., 2021а), а также для трех видов комплекса Acanthophyllum squarrosum (Mahmoudi Shamsabad et al., 2019) и для 12 видов Potentilla (Schanzer et al., 2020).

Формирование филогенетических связей под взаимным влиянием разных эволюционных процессов приводит к появлению сложной картины взаимоотношений видов Oxytropis ряда Strobilacei секции Orobia, как проявления сетчатой эволюции, свойственной данному роду. Подобная картина была отмечена нами и во взаимоотношениях видов Oxytropis других секций (Холина и др., 2016, 2021а; Kholina et al., 2021).

* * *

В изученных популяциях O. strobilacea, O. adamsiana и O. vassilczenkoi ряда Strobilacei секции Orobia Азиатской России выявлен высокий уровень гаплотипического разнообразия, уровень нуклеотидного разнообразия варьирует от низкого до среднего. Наличие двух филетических линий O. strobilacea указывает на интенсивно идущие процессы диверсификации. Виды O. adamsiana и O. vassilczenkoi генетически обособлены от O. strobilacea, образуют единый генетический комплекс вследствие общего происхождения и неполного расхождения генеалогических линий, при этом отсутствие общих хлоротипов подтверждает статус O. vassilczenkoi как самостоятельного вида.

Авторы выражают благодарность И.Н. Поспелову и Е.Б. Поспеловой за предоставление образцов O. adamsiana с п-ова Таймыр.

Список литературы

  1. Васильченко И.Т., Федченко Б.А., Шишкин Б.К. Род Oxytropis // Флора СССР. М.–Л.: Изд. АН СССР. 1948. Т. 13. С. 1–229.

  2. Князев М.С. Заметки по систематике и хорологии видов Oxytropis на Урале. V. Секция Orobia // Ботан. журн. 2005. Т. 90. № 3. С. 415–423.

  3. Кожевников Ю.П. Соотношение видов сосудистых растений северной тайги и лесотундры в средней части бассейна р. Анадырь // Ботан. журн. 1980. Т. 65. № 3. С. 361–367.

  4. Козыренко М.М., Холина А.Б., Артюкова Е.В., Колдаева М.Н., Якубов В.В., Прокопенко С.В. Молекулярно-филогенетическая характеристика эндемичных дальневосточных близкородственных видов секции Orobia рода Oxytropis (Fabaceae) // Генетика. 2020. Т. 56. № 4. С. 421–432. https://doi.org/10.1134/S1022795420040043

  5. Малышев Л.И. Разнообразие рода Остролодка (Oxytropis) в Азиатской России // Turczaninowia. 2008а. Т. 11. № 4. С. 5–141.

  6. Малышев Л.И. Фенетика и хорология остролодок секции Orobia Bunge (род Oxytropis DC., Fabaceae) в Азиатской России // Растительный мир Азиатской России. 2008б. № 1. С. 3–9.

  7. Малышев Л.И. Род Oxytropis DC. // Конспект флоры Азиатской России: Сосудистые растения. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. С. 237–248.

  8. Малышев Л.И., Пешкова Г.А. Особенности и генезис флоры Сибири (Предбайкалье и Забайкалье). Новосибирск: Наука, 1984. 364 с.

  9. Намзалов Б.Б. Байкальский фитогеографический узел как новейший центр эндемизма Внутренней Азии // Сиб. экол. журн. 2009. Т. 16. № 4. С. 563–571. https://doi.org/10.1134/S1995425509040079

  10. Павлова Н.С. Остролодочник – Oxytropis DC. // Сосудистые растения советского Дальнего Востока. Л.: Наука, 1989. Т. 4. С. 236–280.

  11. Пешкова Г.А. Флорогенетический анализ степной флоры гор Южной Сибири / Новосибирск, 2001. 192 с.

  12. Положий А.В. К вопросу о происхождении и эволюции рода Oxytropis (Fabaceae) // Ботан. журн. 2003. Т. 88. № 10. С. 55–59.

  13. Холина А.Б., Козыренко М.М., Артюкова Е.В., Санданов Д.В., Андриянова Е.А. Филогенетические взаимоотношения видов Oxytropis DC. subg. Oxytropis и Phacoxytropis (Fabaceae) Азиатской России на основе анализа нуклеотидных последовательностей межгенных спейсеров хлоропластного генома // Генетика. 2016. Т. 52. № 8. С. 895–909. https://doi.org/10.1134/S1022795416060065

  14. Холина А.Б., Козыренко М.М., Артюкова Е.В., Санданов Д.В. Современное состояние популяций эндемичных видов Oxytropis Байкальской Сибири и их филогенетические связи по данным секвенирования маркеров хлоропластной ДНК // Генетика. 2018. Т. 54. № 7. С. 795–806. https://doi.org/10.1134/S1022795418070050

  15. Холина А.Б., Козыренко М.М., Артюкова Е.В., Санданов Д.В. Дивергенция видов Oxytropis секции Verticillares (Fabaceae) степной флоры Байкальской Сибири на основе анализа хлоропластной ДНК // Генетика. 2019. Т. 55. № 6. С. 665–674. https://doi.org/10.1134/S0016675819060055

  16. Холина А.Б., Козыренко М.М., Артюкова Е.В., Якубов В.В., Хорева М.Г., Андриянова Е.А., Мочалова О.А. Филогенетические отношения видов Oxytropis секции Arctobia северо-востока Азии по данным секвенирования межгенных спейсеров хлоропластного и ITS ядерного геномов // Генетика. 2020. Т. 56. № 12. С. 1386–1397. https://doi.org/10.1134/S1022795420120091

  17. Холина А.Б., Козыренко М.М., Артюкова Е.В., Позднякова Т.Э. Изменчивость хлоропластной ДНК видов Oxytropis секции Polyadena (Fabaceae) Азиатской России: популяционный анализ и филогенетические связи // Изв. РАН. Сер. биол. 2021а. № 1. С. 19–29. https://doi.org/10.1134/S1062359021010076

  18. Холина А.Б., Козыренко М.М., Артюкова Е.В., Колдаева М.Н., Санданов Д.В., Селютина И.Ю. Филогенетические связи видов Азиатской России подродов Phacoxytropis и Tragacanthoxytropis рода Oxytropis на основе полиморфизма маркеров хлоропластного и ядерного геномов // Генетика. 2021б. Т. 57. № 9. С. 1039–1053. https://doi.org/10.31857/S0016675821090058

  19. Юрцев Б.А. Материалы к систематике арктических остролодочников // Ботанические материалы Гербария БИН им. В.Л. Комарова АН СССР. М.–Л.: Изд-во АН СССР, 1959. Т. XIX. С. 233–273.

  20. Юрцев Б.А. Oxytropis DC. // Арктическая флора СССР. Л.: Наука, 1986. Вып. 9. Ч. 2. С. 61–146.

  21. Bandelt H.-J., Forster P., Röhl A. Median-joining networks for inferring intraspecific phylogenies // Mol. Biol. Evol. 1999. V. 16. № 1. P. 37–48.

  22. Blanco-Pastor J.L., Fernández-Mazuecos M., Coello A.J., Pastor J., Vargas P. Topography explains the distribution of genetic diversity in one of the most fragile European hotspots // Divers. Distrib. 2019. V. 25. P. 74–89. https://doi.org/10.1111/ddi.12836

  23. Bonfeld J.K., Smith K.F., Staden R. A new DNA sequence assembly program // Nucl. Acids Res. 1995. V. 23. P. 4992–4999.

  24. Excoffier L., Lischer H.E.L. Arlequin suite v3.5: A new series of programs to perform population genetics analyses under Linux and Windows // Mol. Ecol. Resour. 2010. V. 10. P. 564–567.

  25. Gouy M., Guindon S., Gascuel O. SeaView version 4: A multiplatform graphical user interface for sequence alignment and phylogenetic tree building // Mol. Biol. Evol. 2010. V. 27. P. 221–224. https://doi.org/10.1093/molbev/msp259

  26. Hou B., Luo J., Zhang Y., Niu Zh., Xue Q., Ding X. Iteration expansion and regional evolution: phylogeography of Dendrobium officinale and four related taxa in southern China // Sci. Rep. 2017. V. 7. 43525. 13 p. https://doi.org/10.1038/srep43525

  27. Kholina A., Kozyrenko M., Artyukova E., Sandanov D., Selyutina I., Chimitov D. Plastid DNA variation of the endemic species Oxytropis glandulosa Turcz. (Fabaceae) // Turk. J. Bot. 2018. V. 42. P. 38–50. https://doi.org/10.3906/bot-1706-11

  28. Kholina A., Kozyrenko M., Artyukova E., Sandanov D., Selyutina I. Genetic diversity of Oxytropis section Xerobia (Fabaceae) in one of the centres of speciation // Genetica. 2021. V. 149. № 2. P. 89–101. https://doi.org/10.1007/s10709-021-00115-9

  29. Kholina A., Kozyrenko M., Artyukova E., Yakubov V., Khoreva M., Andrianova E., Mochalova O., Sandanov D. Phylogenetic relationships of Oxytropis section Gloeocephala from Northeast Asia based on sequencing of the intergenic spacers of cpDNA and ITS nrDNA // Genetica. 2022. V. 150. P. 117–128. https://doi.org/10.1007/s10709-022-00152-y

  30. Librado P., Rozas J. DnaSP v5: A software for comprehensive analysis of DNA polymorphism data // Bioinformatics. 2009. V. 25. № 11. P. 1451–1452.

  31. Mahmoudi Shamsabad M., Assadi M., Parducci L. Phylogeography and population genetics of Acanthophyllum squarrosum complex (Caryophyllaceae) in the Irano-Turanian region // Syst. Biodivers. 2019. V. 17. № 4. P. 412–421. https://doi.org/10.1080/14772000.2019.1590476

  32. Mir B.A., Koul S., Kumar A., Kaul M.K., Soodan A.S., Raina S.N. Intraspecific variation in the internal transcribed spacer (ITS) regions of rDNA in Withania somnifera (Linn.) Dunal // Indian J. Biotechnol. 2010. V. 9. P. 325–328.

  33. Plenk K., Willner W., Demina O.N., Höhn M., Kuzemko A., Vassilev K., Kropf M. Phylogeographic evidence for long-term persistence of the Eurasian steppe plant Astragalus onobrychis in the Pannonian region (eastern Central Europe) // Flora. 2020. V. 264. 151555. 10 p. https://doi.org/10.1016/j.flora.2020.151555

  34. Schanzer I.A., Fedorova A.V., Shelepova O.V., Suleymanova G.F. Molecular phylogeny and phylogeography of Potentilla multifida L. agg. (Rosaceae) in Northern Eurasia with special focus on two rare and critically endangered endemic species, P. volgarica and P. eversmanniana // Plants. 2020. V. 9. 1798. 29 p. https://doi.org./10.3390/plants9121798

  35. Shavvon R.S., Kazempour-Osaloo S., Maassoumi A.A., Moharrek F., Karaman Erkul S., Lemmon A., Lemmon E.M., Michalak I., Muellner-Riehl A.N., Favre A. Increasing phylogenetic support for explosively radiating taxa: The promise of high-throughput sequencing for Oxytropis (Fabaceae) // J. Syst. Evol. 2017. V. 55. № 4. P. 385–404. https://doi.org/10.1111/jse.12269

  36. Wang H., Liu P.-L., Li J., Yang H., Li Q., Chang Zh.-Y. Why more leaflets? The role of natural selection in shaping the spatial pattern of leaf-shape variation in Oxytropis diversifolia (Fabaceae) and two close relatives // Front. Plant Sci. 2021. V. 12. Article 681962. 17 p. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.681962

  37. Zhao X.-L., Gao X.-F., Zhu Zh.-M., Gao Y.-D., Xu B. The demographic response of a deciduous shrub (the Indigofera bungeana complex, Fabaceae) to the Pleistocene climate changes in East Asia // Sci. Rep. 2017. V. 7. 697. 13 p. https://doi.org/10.1038/s41598-017-00613-x

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия биологическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал