Дифференциация и таксономическая идентификация робуроидных дубов крымско-кавказского региона по ядерным микросателлитным маркерам

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Межвидовая и внутривидовая структура генетической изменчивости была изучена с помощью 18 микросателлитных локусов (nSSR) у близкородственных робуроидных дубов крымско-кавказского региона (секция Quercus). Исследовались семь наиболее распространенных в регионе таксонов из 29 морфологически чистых популяций в пределах разных частей Северного Кавказа, Закавказья, Крыма и северо-восточной Европы. Большинство таксонов были впервые исследованы с помощью nSSR-маркеров. Среди 492 изученных деревьев метод байесовской кластеризации STRUCTURE выделил кластеры, соответствующие дубу черешчатому Quercus robur, дубу Гартвиса Q. hartwissiana, дубу крупнопыльниковому Q. macranthera, дубу пушистому Q. pubescens и трем подвидам дуба скального: Q. petraea ssp. petraea, Q. petraea ssp. iberica, Q. petraea ssp. medwediewii. Географическая структура была выявлена внутри Q. robur, Q. pubescens и Q. p. ssp. petraea. Использованные nSSR-локусы хорошо диагностируют таксономическую принадлежность индивидуумов, выявляя при этом гибридные образцы. Показана близость друг к другу «длинноплодоножковых» робуроидных дубов (Q. robur, Q. hartwissiana) при большей степени отличий от других видов. У одного из подвидов дуба скального, широко распространенного на Северном Кавказе и в Крыму, – дуба известнякового Q. petraea ssp. medwediewii (syn. Q. calcarea) – обнаружены значительные отличия от других таксонов, достигающие видового уровня. Предположение о возможном гибридном происхождении дуба известнякового в результате гибридизации Q. petraea и Q. pubescens генетическим анализом не подтверждается. Два других подвида Q. petraea (типовой Q. p. ssp. petraea и дуб грузинский Q. p. ssp. iberica) дифференцированы в меньшей степени и родственны между собой, что подтверждает правомерность выделения двух географически обособленных таксонов в ранге подвидов. Наиболее высокая изменчивость наблюдалась в популяциях Q. pubescens (He = 0.777). У Q. p. ssp. medwediewii показатели изменчивости были ниже, чем у других широко распространенных таксонов (He = 0.652), и находились примерно на уровне изменчивости Q. hartwissiana (He = 0.633) и Q. macranthera (He = 0.659). Четкая дифференциация таксонов по ядерным маркерам показывает ограниченность интрогрессии близких видов дуба на Кавказе и в Крыму. Выделенные генетические кластеры могут быть использованы как референсные группы для дальнейших популяционно-генетических исследований дубов крымско-кавказского региона.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. А. Семерикова

Институт экологии растений и животных Уральского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: s.a.semerikova@ipae.uran.ru
Россия, Екатеринбург, 620144

Х. У. Алиев

Горный ботанический сад Дагестанского федерального исследовательского центра Российской академии наук

Email: s.a.semerikova@ipae.uran.ru
Россия, Махачкала, 367000

В. Л. Семериков

Институт экологии растений и животных Уральского отделения Российской академии наук

Email: s.a.semerikova@ipae.uran.ru
Россия, Екатеринбург, 620144

Список литературы

  1. Меницкий Ю.Л. Дубы Кавказа. Обзор кавказских представителей секции Quercus. Л.: Наука, 1971. 196 с.
  2. Меницкий Ю.Л. Дубы (Quercus L.) Юго-Западной Азии // Новости систематики высших растений. Л.: Наука, 1972. Т. 9. С. 105–140.
  3. Меницкий Ю.Л. Дубы Азии. Л.: Наука, 1984. 315 с.
  4. Kremer A., Hipp A.L. Oaks: An evolutionary success story // New Phytologist. 2020. V. 226. № 4. P. 987–1011. https://doi.org/10.1111/nph.16274
  5. Hipp A.L., Manos P.S., Hahn M. et al. Genomic landscape of the global oak phylogeny// New Phytologist. 2020. V. 226. № 4. P. 1198–1212. https://doi.org/10.1111/nph.16162
  6. Конспект флоры Кавказа: в 3 томах / Под ред. Кудряшовой Г.Л., Татанова И.В. СПб.; М.: Тов-во науч. изд. КМК, 2012. T. 3. Ч. 2. 623 с.
  7. Schmidt P.A. Oaks and oak forests in Caucasia // Proc. Fourth Intern. oak conf. 2004. № 15. P. 9–29.
  8. Семериков Л.Ф. Популяционная структура древесных растений (на примере видов дуба европейской части СССР и Кавказа). М.: Наука, 1986. 140 с.
  9. Троицкий Н.Д. Предварительные итоги изучения дубов Крымского государственного заповедника и прилегающего района южного берега Крыма (систематика в связи с условиями произрастания) // Журнал РБО. 1931. Т. 16. № 4. С. 313–354.
  10. Черепанов С.К. Сосудистые растения России и сопредельных государств. СПб., 1995. 990 с.
  11. Valbuena-Carabana M., Gonzalez-Martinez S.C., Hardy O.J., Gil L. Fine-scale spatial genetic structure in mixed oak stands with different levels of hybridization // Mol. Ecol. 2007. V. 16. № 6. P. 1207–1219. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2007.03231.x
  12. Fortini P., Viscosi V., Maiuro L. et al. Comparative leaf surface morphology and molecular data of five oaks of subgenus Quercus Oerst. (Fagaceae) // Pl. Biosyst. 2009. V. 143. № 3. P. 543–554. https://doi.org/10.1080/11263500902722980
  13. Salvini D., Bruschi P., Fineschi S. et al. Natural hybridisation between Quercus petraea (Matt.) Liebl. and Quercus pubescens Willd. within an Italian stand as revealed by microsatellite fingerprinting // Plant Biology. 2009. V. 11. P. 758–765. https://doi.org/10.1111/j.1438-8677.2008.00158.x
  14. Antonecchia G., Fortini P., Lepais O. et al. Genetic structure of a natural oak community in central Italy: Evidence of gene flow between three sympatric white oak species (Quercus, Fagaceae) // Ann. For. Res. 2015. V. 58. № 2. P. 205–216. https://doi.org/10.15287/afr.2015.415
  15. Rellstab C., Buhler A., Graf R. et al. Using joint multivariate analyses of leaf morphology and molecular-genetic markers for taxon identification in three hybridizing European white oak species (Quercus spp.) // Annals Forest Sci. 2016. V. 73. № 3. P. 669–679. https://doi.org/10.1007/s13595-016-0552-7
  16. Mačejovský V., Schmidtová J., Hrivnák M. et al. Interspecific differentiation and gene exchange among the Slovak Quercus sect. Quercus populations // Dendrobiology. 2020. V. 83. P. 20–29. https://doi.org/10.12657/denbio.083.002
  17. Yücedağ C., Gailing O. Morphological and genetic variation within and among four Quercus petraea and Q. robur natural populations // Turkish J. Bot. 2013. V. 37. № 4. Article 2. P. 619–629. https://doi.org/10.3906/bot-1205-18
  18. Fortini P., Marzio P.D., Conte A.L. et al. Morphological and molecular results from a geographical transect focusing on Quercus pubescens/Q. virgiliana ecological-altitudinal vicariance in peninsular Italy // Pl. Biosyst. 2022. Т. 156. № 6. P. 1498–1511. https://doi.org/10.1080/11263504.2022.2131923
  19. Neophytou C., Aravanopoulos F.A., Fink S., Dounavi A. Detecting interspecific and geographic differentiation patterns in two interfertile oak species (Quercus petraea (Matt.) Liebl. and Q. robur L.) using small sets of microsatellite markers // For. Ecol. Manag. 2010. V. 259. P. 2026–2035. https://doi.org/10.1016/j.forec o.2010.02.013
  20. Guichoux E., Lagache L., Wagner S. et al. Two highly validated multiplexes (12-plex and 8-plex) for species delimitation and parentage analysis in oaks (Quercus spp.) // Mol. Ecol. Resour. 2011. V. 11. P. 578–585. https://doi.org/10.1111/j.1755-0998.2011.02983.x
  21. Curtu A.L., Gailing O., Leinemann L., Finkeldey R. Genetic variation and differentiation within a natural community of five oak species (Quercus spp.) // Plant. Biol. 2007. V. 9. P. 116–126. https://doi.org/10.1055/s-2006-924542
  22. Curtu A.L., Moldovan I.C., Enescu C.M. et al. Genetic differentiation between Quercus frainetto Ten. and Q. pubescens Willd. in Romania // Notulae Bot. Horti Agrobot. Cluj-Napoca. 2011. V. 39. № 1. P. 275–282. https://doi.org/10.15835/nbha3915633.
  23. Curtu A.L., Craciunesc I., Enescu C.M. et al. Fine-scale spatial genetic structure in a multi-oak-species (Quercus spp.) forest // iForest. 2015. V. 8. № 3. P. 324–332. https://doi.org/10.3832/ifor1150-008
  24. Lepais O., Petit R.J., Guichoux E. et al. Species relative abundance and direction of introgression in oaks // Mol. Ecol. 2009. V. 18. P. 2228–2242. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2009.04137.x
  25. Höltken A.M., Buschbom J., Kätzel R. Species integrity of Quercus robur L., Q. petraea (Matt.) Liebl. and Q. pubescens Willd. from the genetic point of view // Allgemeine Forst- und Jagdzeitung: Allg. F. u. J. Ztg. 2012. V. 183. P. 100–110.
  26. Gerber S., Chadoeuf J., Gugerli F. et al. High rates of gene flow by pollen and seed in oak populations across Europe // PLoS One. 2014. V. 9. e85130. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0091301
  27. Gugerli F., Brodbeck S., Holderegger R. Utility of multilocus genotypes for taxon assignment in stands of closely related European White Oaks from Switzerland // Annals Bot. 2008. V. 102. P. 855–863. https://doi.org/10.1093/aob/mcn164
  28. Sandurska E., Ulaszewski B., Burczyk J. Genetic diversity and differentiation of coexisting populations of Quercus robur L. and Q. petraea (Matt.) Liebl. // Acta Biol. Crac. Ser. Bot. 2019. V. 61. № 1. P. 17–28. https://doi.org/10.24425/abcsb.2019.127739
  29. Neophytou C., Gärtner S.M., Vargas-Gaete R. et al. Genetic variation of Central European oaks: shaped by evolutionary factors and human intervention? // Tree Genet. Genom. 2015. V. 11. № 79. https://doi.org/10.1007/s11295-015-0905-7
  30. Enescu C.M., Curtu A.L., Şofletea N. Is Quercus virgiliana a distinct morphological and genetic entity among European white oaks? // Turkish J. Agriculture and Forestry. 2013. V. 37. № 5. Article 14. https://doi.org/10.3906/tar-1210-28
  31. Di Pietro R., Di Marzio P., Antonecchia G. et al. Preliminary characterization of the Quercus pubescens complex in southern Italy using molecular markers // Acta Bot. Croat. 2020. V. 78. № 2. P. 107–115. https://doi.org/10.37427/botcro-2020-002
  32. Di Pietro R., Conte A.L., Di Marzio P. et al. Does the genetic diversity among pubescent white oaks in southern Italy, Sicily and Sardinia islands support the current taxonomic classification? // Eur. J. Forest Res. 2021. V. 140. № 2. P. 1–17. doi: 10.1007/s10342-020-01334-z
  33. Neophytou C. Bayesian clustering analyses for genetic assignment and study of hybridization in oaks: Effects of asymmetric phylogenies and asymmetric sampling schemes // Tree Genet. Genom. 2014. V. 10. P. 273–285. https://doi.org/10.1007/s11295-013-0680-2
  34. Семерикова С.А., Подергина С.М., Ташев А.Н., Семериков В.Л. Филогеография видов дуба в Крыму выявляет плейстоценовые рефугиумы и пути миграций // Экология. 2023. V. 54. № 3. С.188–203. https://doi.org/10.31857/S0367059723030058
  35. Семерикова С.А., Алиев Х.У., Семериков Н.В., Семериков В.Л. Филогеография видов дуба на Кавказе по результатам анализа хлоропластной ДНК // Генетика. 2023. Т. 59. № 7. С. 772–788. https://doi.org/10.31857/S001667582307010X
  36. Semerikova S.A., Tashev A.N., Semerikov V.L. Genetic diversity and history of pedunculate oak Quercus robur L. in the east of the range // Russ. J. Ecology. 2023. V. 54. №. 5. P. 423–438. https://doi.org/10.1134/S1067413623050089.
  37. Devey M.E., Bell J.C., Smith D.N. et al. A genetic linkage map for Pinus radiata based on RFLP, RAPD and microsatellite markers // Theor. Appl. Genet. 1996. V. 92. № 6. P. 673–679. https://doi.org/10.1007/BF00226088
  38. Pritchard J.K., Stephens M., Donnelly P. Inference of population structure using multilocus genotype data // Genetics. 2000. V. 155. P. 945–959.
  39. Evanno G., Regnaut S., Goudet J. Detecting the number of clusters of individuals using the software STRUCTURE: A simulation study // Mol. Ecol. 2005. V. 14. № 8. P. 2611–2620. doi: 10.1111/j.1365-294X.2005.02553.x
  40. Li Y.L., Liu J.X. StructureSelector: A web-based software to select and visualize the optimal number of clusters using multiple methods // Mol. Ecol. Resour. 2018. V. 18. № 1. P. 176–177. doi: 10.1111/1755-0998.12719.
  41. Kopelman N.M., Mayzel J., Jakobsson M. et al. CLUMPAK: A program for identifying clustering modes and packaging population structure inferences across K // Mol. Ecol. Resour. 2015. V. 15. P. 1179–1191. https://doi.org/10.1111/1755-0998.12387
  42. Puechmaille S.J. The program structure does not reliably recover the correct population structure when sampling is uneven: Subsampling and new estimators alleviate the problem // Mol. Ecol. Resour. 2016. V. 16. P. 608–627. https://doi.org/10.1111/1755-0998.12512
  43. Peakall R., Smouse P.E. GenAlEx 6.5: Genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research-an update // Bioinformatics. 2012. V. 28. P. 2537–2539. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bts460
  44. Rousset F. GENEPOP’ 007: A complete re-implementation of the GENEPOP software for Windows and Linux // Mol. Ecol. Resour. 2008. V. 8. P. 103–106. https://doi.org/10.1111/j.1471-8286.2007.01931.x
  45. Van Oosterhout C., Hutchinson W.F., Wills D.P., Shipley P. MICRO-CHECKER: Software for identifying and correcting genotyping errors in microsatellite data // Mol. Ecol. Notes. 2004. V. 4. P. 535–538. https://doi.org/10.1111/ j.1471-8286.2004.00684.x.
  46. Nei M. Estimation of average heterozygosity and genetic distance from a small number of individuals // Genetics. 1978. V. 83. P. 583–590.
  47. Rohlf E.J. NTSYS-pc: Numerical taxonomy and multivariate analysis system. Version 1.50. // Exeter Publ. and Applied Biostatistics. 1988.
  48. Vázquez F.M., García D., Márquez F., Vilaviçosa C.M. Annotations to infrageneric nomenclatura of Quercus L. (FAGACEAE) // Fol. Bot. Extremadurensis. 2023. V. 17. P. 7–64.
  49. Kučera P. Quercus banatus grows in Slovenia // Thaiszia – J. Botany. 2019. V. 29. № 1. P. 61–69. https://doi.org/10.33542/TJB2019-1-04
  50. Di Pietro R., Viscosi V., Peruzzi L., Fortini P. A review of the application of the name Quercus dalechampii // Taxon. 2012. V. 61. № 6. P. 1311–1316. doi: 10.1002/tax.616012
  51. Kučera P. New name for Central Europaean oak formerly labelled as Quercus dalechampii // Biologia. 2018. V. 73. № 4. P. 313–317. https://doi.org/10.2478/s11756-018-0048-z
  52. Proietti E., Filesi L., Di Marzio P. et al. Morphology, geometric morphometrics, and taxonomy in relict deciduous oaks woods in northern Italy // Rend. Fis. Acc. Lincei. 2021. V. 32. P. 549–564. https://doi.org/10.1007/s12210-021-01001-4
  53. Papini A., Simeone M.C., Bellarosa R. et al. Quercus macranthera Fisch. & Mey. ex Hohen. and Quercus iberica M. Bieb.: Taxonomic definition and systematic relationships with European oaks inferred from nuclear internal transcribed spacer (ITS) data // Plant Biosystems. 2011. V. 145. № 1. P. 37–49. https://doi.org/10.1080/11263504.2010.502684
  54. Tóth E.G., Köbölkuti Z.A., Cseke K. et al. A genomic dataset of single‐nucleotide polymorphisms generated by ddRAD tag sequencing in Q. petraea (Matt.) Liebl. populations from Central-Eastern Europe and Balkan Peninsula // Annals Forest Sci. 2021. V. 78. № 43. https://doi.org/10.1007/s13595-021-01051-6
  55. Jurkšienė G., Baranov O.Y., Kagan D.I. et al. Genetic diversity and differentiation of pedunculate (Quercus robur) and sessile (Q. petraea) oaks. // J. For. Res. 2020. V. 31. P. 2445–2452. https://doi.org/10.1007/s11676-019-01043-3
  56. Degen B., Blanc-Jolivet C., Mader M. et al. Introgression as an important driver of geographic genetic differentiation within European white oaks // Forests. 2023. V. 14(12). https://doi.org/10.3390/f14122279

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1, а. Географическое распределение исследованных выборок семи таксонов робуроидных дубов в крымско-кавказской и северо-европейской частях ареала. Номера выборок соответствуют указанным в табл. 1. Обозначение таксонов: Rb – Q. robur, Pb – Q. pubescens, Mc – Q. macranthera, Htw – Q. hartwissiana, Pt_pt – Q. petraea ssp. petraea, Pt_ib – Q. petraea ssp. iberica, Pt_med – Q. petraea ssp. medwediewii. Цветовые обозначения выборок соответствуют преобладающим генетическим кластерам STRUCTURE при K = 6 (рис. 1, б). Пунктирной линией обозначена северная граница ареала дуба в регионе.

Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 1, б. Распределение генетических кластеров, вычисленное с помощью STRUCTURE на основе 18 микросателлитных локусов для 29 популяции (492 особей) пяти видов Quercus при K = 2, 6. Каждый образец представлен вертикальным столбцом, разделенным на два или шесть цветных сегментов пропорционально участию каждого генетического кластера.

Скачать (356KB)
Метаданные
4. Рис. 2. PCoA-ординация, основанная на изменчивости 18 nSSR-локусов. а – популяции семи таксонов робуроидных дубов; б – популяции сидячецветных дубов Q. petraea s. l., Q. macranthera, Q. pubescens. Популяции обозначены цветом в соответствии с доминирующим кластером STRUCTURE при числе кластеров K = 6 при наборе 1 (см. рис. 1, б).

Скачать (178KB)
Метаданные
5. Рис. 3. Распределение генетических кластеров, вычисленное с помощью STRUCTURE на основе 18 микросателлитных локусов для 364 особей Q. petraea s. l., Q. macranthera, Q. pubescens (набор 2) при K = 4, 5, 6, 7. Каждый образец представлен вертикальным столбцом, разделенным на сегменты пропорционально участию каждого генетического кластера.

Скачать (540KB)
Метаданные
6. Supplementary
Скачать (930KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024