Гудная Н. В., Мялик А. Н., Шлапакова Т. Г., Титок В. В. Формирование резервного генофонда исчезающих видов растений на основе оценки генетического разнообразия популяций // Hortus bot. 2023. Т. 18, URL: http://hb.karelia.ru/journal/article.php?id=8905. DOI: 10.15393/j4.art.2023.8905


Сохранение, мобилизация и изучение генетических ресурсов растений

pdf-версия статьи

УДК 582.581.9:575.22.015

Формирование резервного генофонда исчезающих видов растений на основе оценки генетического разнообразия популяций

Гудная
Наталья Владимировна
Центральный ботанический сад НАН Беларуси,
улица Сурганова, дом 2в, Минск, 220072, Беларусь
shadownatasha232@gmail.com
Мялик
Александр Николаевич
Центральный ботанический сад НАН Беларуси,
Сурганова, дом 2в, Минск, 220012, Беларусь
aleksandr-myalik@yandex.ru
Шлапакова
Татьяна Геннадьевна
Центральный ботанический сад НАН Беларуси,
улица Сурганова, дом 2в, Минск, 220072, Беларусь
T.Shlapakova@cbg.org.by
Титок
Владимир Владимирович
Центральный ботанический сад НАН Беларуси,
улица Сурганова, дом 2в, Минск, 220072, Беларусь
titok@cbg.org.by
Ключевые слова:
ex situ, охраняемые растения Беларуси, генетическое разнообразие популяций, семейство Орхидные
Аннотация: В статье приводится характеристика коллекции охраняемых видов растений Центрального ботанического сада Национальной академии наук Беларуси. Содержащиеся в условиях ex situ 113 видов, представляют резервный генофонд исчезающих аборигенных растений. Обоснована необходимость его формирования с учетом генетического разнообразия природных популяций, что будет являться залогом успешных восстановительных мероприятий. На примере некоторых представителей семейства Орхидные показаны основные этапы данных работ, включающие поиск популяций и отбор образцов в природе, лабораторные молекулярно-генетических исследования и анализ полученных данных.
Получена: 19 октября 2023 года
Подписана к печати: 18 декабря 2023 года

*

Одной из важнейших задач ботанических садов является изучение и сохранение в условиях ex situ редких и исчезающих видов растений местной и мировой флоры. С этой целью во многих ботанических учреждениях формируются и содержатся коллекции, в которых представлены образцы видов растений, находящихся под угрозой исчезновения. Материал этих коллекций является основой резервного генофонда и может быть использован как в научной работе по изучению особенностей редких видов, так и для восстановления природных популяций, находящихся в критическом состоянии.

Данная работа особенно актуальна, поскольку согласно одной из задач глобальной стратегии сохранения редких и исчезающих растений не менее 75% таких видов необходимо содержать в ботанических коллекциях, а 20% должны быть доступны для программ восстановительных мероприятий (www.cbd.int/gspc, 2023). Этим самым определяется важнейшая роль ботанических садов в формировании и сохранении резервного генофонда нуждающихся в охране видов растений и их комплексном изучении.

Такая работа, на наш взгляд, должна базироваться на результатах изучения природных популяций редких растений, которые представляют собой элементарные единицы существования видов. В настоящее время известно, что от величины генетической изменчивости, которой характеризуется популяция, зависит ее способность к адаптации и экологическая пластичность. Соответственно, чем выше генетический потенциал популяции, тем более сильное воздействие стрессовых ситуаций она может выдержать (Падутов и др., 2008). Поэтому для содержания в условиях ex situ целесообразно привлекать материал из природных популяций, отличающихся высоким генетическим разнообразием. Этим самым обеспечивается не только минимальный ущерб самой популяции в результате изъятия живых растений или их частей, но и успех восстановительных мероприятий в будущем. Вышесказанным определяется актуальность разработки систем формирования резервного генофонда редких видов растений на основе оценки гетерогенности природных популяций.

**

Одной из важнейших коллекций живых растений Центрального ботанического сада НАН Беларуси в научном, социальном, природоохранном и познавательном плане является коллекция редких и исчезающих видов растений природной флоры Беларуси. Ее формирование связано с началом работ по изучению редких видов растений сотрудниками сада еще в 1970-е годы. В это время под руководством д.б.н. А.В. Бойко при изучении природных комплексов Припятского ландшафтно-гидрологического заповедника и Налибокской пущи были установлены места естественного произрастания отдельных видов редких растений. В 1976 году ряд редких для Беларуси видов были привлечены в ботанический сад для оценки степени их устойчивости и адаптационных возможностей в условиях культуры. В дальнейшем И.В. Лознухо продолжил работу по привлечению новых образцов из естественных мест обитания, а также начал закладку искусственных ценопопуляций на территории ботанического сада. Изучением редких для Беларуси видов растений занималась также Л.В. Кухарева, которая привлекала к интродукционным испытаниям материал из различных ботанических садов Европы. Большой вклад в развитие коллекции внесла С.П. Торчик благодаря использованию многочисленного материала именно из природных популяций. Данная работа была продолжена А.В. Кручонок, которая являлась куратором коллекции до 2022 г., а также возглавляла созданный на ее основе сектор сохранения и восстановления растительных ресурсов. За последние годы сотрудниками сектора проведена реконструкция коллекционного участка, выявлены новые места естественного произрастания ряда редких растений, выполнена оценка степени их устойчивости и адаптационных возможностей в условиях ex situ. Проведено сравнительное изучение эколого-биологических особенностей ряда редких и исчезающих видов природной флоры Беларуси в условиях in situ и ex situ и разработаны приемы и методы восстановления популяций уязвимых видов, находящихся в критическом состоянии. В их числе популяции Carex umbrosa Host (осоки теневой) в заказнике «Соколиный» (Минский район), Potentilla rupestris L. (лапчатки скальной) в Слонимском районе, Astrantia major L. (астранции большой) на территории национального парка «Беловежская пуща» (www.cbg.org.by/structure/ssvrr, 2023).

Таким образом, создание и содержание коллекции редких и охраняемых видов природной флоры Беларуси, а также обоснование приемов их репродукции обеспечивает практическую реализацию одной из основных экологических задач, входящих в компетенцию ботанических садов – сохранение редких и исчезающих видов растений.

В таблице 1 приведена характеристика образцов редких растений коллекционного фонда Центрального ботанического сада НАН Беларуси, включающая охранный статус видов согласно последнему изданию Красной книги Республики Беларусь (Красная книга Республики Беларусь, 2015), происхождение образцов (AUT – Австрия, BLR – Беларусь, CZE – Чехия, DEU – Германия, DNK – Дания, FRA – Франция, ITA – Италия, POL – Польша, RUS – Россия, UKR – Украина), год их поступления в коллекцию, а также устойчивость в условиях ex situ (Н – низкая, С – средняя, В – высокая).

Таблица 1. Характеристика образцов коллекции редких и охраняемых видов

Название таксона Охранный статус Происхождение Год привлечения образца Устойчивость в культуре
латинское русское
Семейство Equesetaceae – Хвощевые
Equisetum variegatum Schleich. ex Web. et Mohr. Хвощ пестрый проф. BLR 2021 В
Семейство Huperziaceae – Баранцовые
Huperzia selago (L.) Bernh. ex Schrank et C. Mart. Баранец обыкновенный IV BLR 2023 С
Семейство Osmundaceae – Чистоустовые
Osmunda regalis L. Чистоуст величавый I BLR 2008 В
Семейство Aspleniaceae – Костенцовые
Asplenium trichomanes L. Костенец волосовидный проф. BLR 2021 С
Семейство Polypodiaceae – Многоножковые
Polypodium vulgare L. Многоножка обыкновенная IV BLR 2022 В
Семейство Onocleaceae – Оноклеевые
Matteuccia strutiopteris (L.) Tod. Страусник обыкновенный проф. BLR 2008 В
Семейство Pinaceae – Сосновые
Abies alba Mill. Пихта белая I BLR 2009 В
Семейство Nymphaeaceae – Кувшинковые
Nuphar pumila (Timm) DC. Кубышка малая II BLR 2023 С
Семейство Ranunculaceae – Лютиковые
Anemone sylvestris L Ветреница лесная IV BLR 2016 С
Aquilegia vulgaris L. Водосбор обыкновенный проф. BLR 2008 С
Cimicifuga europaea Schipcz. Клопогон европейский I BLR 2014 В
Clematis recta L. Ломонос прямой II BLR 2014 В
Delphinium elatum L. Живокость высокая III BLR 2008 С
Hepatica nobilis Mill. Перелеска благородная проф. BLR 2008 В
Isopyrum thalictroides L. Равноплодник василистниковый II BLR 2023 С
Pulsatilla patens (L.) Mill. Прострел раскрытый IV BLR 2020 С
Pulsatilla pratensis (L.) Mill. Прострел луговой IV BLR 2016 С
Thalictrum aquilegifolium L. Василистник водосборолистный проф. BLR 2011 В
Thalictrum minus L. Василистник малый проф. RUS 2011 В
Trollius europaeus L Купальница европейская IV BLR 2008 В
Семейство Fumariaceae – Дымянковые
Corydalis cava (L.) Schweigg. et Koerte Хохлатка полая III BLR 2023 С
Семейство Urticaceae – Крапивные
Urtica kioviensis Rogow. Крапива киевская II BLR 2023 С
Семейство Fagaceae – Буковые
Quercus petraea (Mattuschka) Liebl. Дуб скальный II BLR 2023 С
Семейство Betulaceae – Березовые
Betula humilis Schrank Береза низкая III BLR 2021 С
Семейство Caryophyllaceae – Гвоздичные
Dianthus carthusianorum L. Гвоздика картузианская проф. FRA 2003 В
Семейство Polygonaceae– Гречиховые
Bistorta major S.F. Gray Змеевик большой проф. BLR 2023 С
Семейство Cistaceae – Ладанниковые
Helianthemum nummularium (L.) Mill. Солнцецвет монетолистный проф. BLR 2020 В
Семейство Hypericaceae – Зверобойные
Hypericum hirsutum L. Зверобой волосистый I ITA 2009 С
Hypericum montanum L. Зверобой горный III BLR 2017 С
Hypericum tetrapterum Fries Зверобой четырехкрылый I BLR  2013 В
Семейство Violaceae – Фиалковые
Viola montana L. Фиалка горная I POL 2003 В
Семейство Brassicaceae – Крестоцветные
Dentaria bulbifera L. Зубянка клубненосная IV BLR 2023 С
Lunaria rediviva L. Лунник оживающий IV BLR 2020 В
Семейство Salicaceae – Ивовые
Salix lapponum L. Ива лапландская IV BLR 2021 С
Семейство Ericaceae – Вересковые
Rhododendron luteum Sweet Рододендрон желтый III BLR 2011 В
Семейство Euphorbiaceae – Молочайные    
Euphorbia villosa Waldst. et Kit. Молочай мохнатый I ? ? В
Семейство Linaceae – Льновые
Linum flavum L. Лен желтый 0 DEU 2014 В
Семейство Primulaceae – Первоцветные
Primula elatior (L.) Hill Первоцвет высокий проф. BLR 2017 В
Primula veris L. Первоцвет весенний проф. BLR 2020 В
Семейство Thymelaeaceae – Волчеягодниковые
Daphne mezereum L. Волчеягодник обыкновенный проф. BLR 2021 В
Семейство Crassulaceae – Толстянковые
Sempervivum ruthenicum Schnittsp. et C.B.Lehm. Молодило русское I BLR 2010 В
Семейство Rosaceae – Розоцветные
Aruncus vulgaris Rafin. Волжанка обыкновенная III BLR 2013 В
Potentilla alba L. Лапчатка белая III BLR 2017 В
Potentilla rupestris L. Лапчатка скальная I POL 2003 В
Семейство Fabaceae – Бобовые
Lathyrus laevigatus (Waldst. et Kit.) Gren. Чина гладкая III BLR 2020 В
Lathyrus linifolius (Reichard) Bässler Чина льнолистная IV BLR 2016 В
Trifolium rubens L. Клевер красноватый II BLR 2016 В
Vicia dumetorum L. Горошек зарослевый II CZE 2009 В
Семейство Trapaceae – Рогульниковые
Trapa natans L.s.l. Водяной орех плавающий III BLR 2021 С
Семейство Geraniaceae – Гераниевые
Geranium phaeum L. Герань темно-бурая проф. BLR 2008 В
Семейство Araliaceae – Аралиевые
Hedera helix L. Плющ обыкновенный II BLR 2020 В
Семейство Apiaceae – Сельдереевые
Angelica palustris (Boiss.) Hoffm Дудник болотный III BLR 2016 В
Astrantia major L. Астранция большая I BLR 2008 В
Cenolophium denudatum (Hornem.) Tutin Пусторебрышник обнаженный III BLR 2023 В
Laserpitium latifolium L. Гладыш широколистный III BLR 2020 В
Peucedanum cervaria (L.) Lapeyr. Горичник олений III BLR 2008 В
Pimpinella major (L.) Huds. Бедренец большой проф. BLR 2012 В
Семейство Dipsacaceae – Ворсянковые
Scabiosa columbaria L. Скабиоза голубиная I POL 2003 В
Семейство Gentianaceae – Горечавковые
Gentiana cruciata L. Горечавка крестообразная III DEU 2010 В
Swertia perennis L. Сверция многолетняя I RUS 2015 Н
Семейство Boraginaceae – Бурачниковые
Lithospermum officinale L. Воробейник лекарственный III FRA 2004 В
Pulmonaria angustifolia L. Медуница узколистная III  BLR  2020 С
Pulmonaria mollis Wulf. ex Hornem. Медуница мягонькая III BLR 2016 В
Семейство Polemoniaceae – Синюховые
Polemonium caeruelum L. Синюха голубая проф. BLR 2019 В
Семейство Scrophulariaceae – Норичниковые
Digitalis grandiflora Mill. Наперстянка крупноцветковая проф. BLR 2020 В
Veronica teucrium L. Вероника широколистная проф. ITA 2011 В
Семейство Lamiaceae – Яснотковые
Dracocephalum ruyschiana L Змееголовник Руйша II BLR 2013 В
Melittis sarmatica Klok. Кадило сарматское III BLR 2017 В
Prunella grandiflora (L.) Scholl. Черноголовка крупноцветковая III POL 2005 С
Salvia pratensis L. Шалфей луговой IV DNK 2003 В
Stachys recta L. Чистец прямой проф. DEU 2020 В
Семейство Campanulaceae – Колокольчиковые
Adenophora lilifolia (L.) A. DC. Бубенчик лилиелистный II BLR 2008 В
Campanula bononiensis L. Колокольчик болонский проф. ITA 2006 В
Campanula latifolia L. Колокольчик широколистный IV BLR 2020 В
Campanula persicifolia L. Колокольчик персиколистный проф. BLR 2009 В
Phyteuma nigrum F.W.Schmidt Кольник черный I BEL 2010 Н
Семейство Asteraceae – Астровые
Aposeris foettida (L.) Less. Апозерис вонючий 0 UKR 2023 С
Arnica montana L. Арника горная IV BLR 2019 В
Aster amellus L. Астра степная I BLR 2014 В
Centaurea phrygia L. Василек фригийский проф. DEU 2008 В
Cirsium heterophyllum (L.) Hill Бодяк разнолистный II BLR 2011 В
Inula hirta L. Девясил шершавый проф. ITA 2009 В
Jurinea cyanoides (L.) Rchb. Наголоватка васильковая проф. BLR 2023 С
Pyrethrum corymbosum (L.) Scop. Ромашник щитковый II BLR 2008 В
Sonchus palustris L. Осот болотный 0 DEU 2009 В
Семейство Najadaceae – Наядовые
Najas major L. Наяда большая III BLR 2021 С
Семейство Liliaceae – Лилейные
Anthericum ramosum L. Венечник ветвистый проф. BLR 2004 В
Gagea spathacea (Hayne) Salisb. Гусиный лук покрывальцевый I BLR 2023 Н
Lilium martagon L. Лилия кудреватая IV BLR 2008 В
Tulipa sylvestris L. Тюльпан лесной проф. BLR 2022 С
Семейство Alliaceae – Луковые
Allium ursinum L. Лук медвежий III BLR 2008 В
Allium schoenoprasum L. Лук скорода II BLR 2015 В
Veratrum lobelianum Bernh. Чемерица Лобеля III BLR 2012 В
Семейство Iridaceae – Касатиковые
Gladiolus imbricatus L. Шпажник черепитчатый IV BLR 2023 С
Iris aphylla L. Касатик безлистный I BLR 2011 В
Iris sibirica L. Касатик сибирский IV BLR 2020 В
Семейство Orchidaceae – Орхидные
Epipactis palustris (L.) Crantz Дремлик болотный проф. BLR 2023 С
Cephalanthera longifolia (L.) Fritsch Пыльцеголовник длиннолистный III BLR 2023 С
Cypripedium calceolus L. Венерин башмачок настоящий III BLR 2020 С
Dactylorhiza maculata (L.) Soo Пальчатокоренник пятнистый проф. BLR 2015 В
Dactylorhiza majalis (Reichenb.) P.F.Hunt et Summerhayes Пальчатокоренник майский III BLR 2013 В
Goodyera repens (L.) R.Br. Гудайера ползучая проф. BLR 2023 С
Listera ovata (L.) R. Br. Тайник яйцевидный IV BLR 2014 В
Семейство Cyperaceae – Осоковые
Baeothryon alpinum (L.) Egor. Пухонос альпийский III BLR 2023 В
Carex davalliana Smith Осока Дэвелла I AUT 2009 В
Carex ornithopoda Willd. Осока птиценожковая II BLR 2016 С
Carex rhizina Blytt ex Lindbl. Осока корневищная IV BLR 2012 В
Carex umbrosa Host Осока теневая IV BLR 2016 В
Семейство Poaceae – Мятликовые
Festuca altissima All. Овсяница высокая IV BLR 2021 В
Festuca tenuifolia Sibth. Овсяница тонколистная проф. POL 2002 С
Hierochloe australis (Schrad.) Roem. et Schult. Зубровка южная проф. BLR 2021 В
Hordelymus europaeus (L.) Harz Ячменеволоснец европейский I DEU 2008 В
Sesleria caerulea (L.) Ard. Сеслерия голубая проф. CZE 2008 С

Примечание: ? – нет данных

В коллекции содержится 113 видов редких и исчезающих растений, имеющих официальный охранный статус в Беларуси. Все они относятся к 47 семействам, крупнейшими из которых по числу видов являются: Ranunculaceae (12), Asteraceae (9), Apiaceae и Orchidaceae (7), Campanulaceae, Cyperaceae и Poaceae (5). Большинство коллекционных образов привлечены в последние годы, что связано с целенаправленной работой кураторов по замене делектусного материала растениями из аборигенных белорусских популяций. Подавляющая часть видов, содержащихся в коллекции, характеризуется средней (Asplenium trichomanes L., Cephalanthera longifolia (L.) Fritsch, Prunella grandiflora (L.) Scholl. и др.) и высокой (Clematis recta L., Iris sibirica L., Lilium martagon L. и др.) степенью устойчивости в условиях ex situ. Лишь для немногих видов (Phyteuma nigrum F.W.Schmidt, Swertia perennis L.) отмечена низкая степень устойчивости, что объясняется специфическими требованиями данных растений к условиям произрастания. Именно по этой причине попытки содержания в коллекции ряда редких видов с узкой экологической амплитудой оказались безуспешными. В их числе Berula erecta (Huds.) Cov., Herminium monorchis (L.) R.Br., Listera cordata (L.) R.Br. и некоторые другие. Значительная часть редких видов вовсе не привлекалась в коллекцию по причине сложности их содержания в условиях ex situ (Viscum austriacum Wiesb., Pingularia vulgaris L. и др.), либо невозможности отыскать их в естественных условиях на территории Беларуси (Cystopteris sudetica A. Braun et Milde, Nymphoides peltata (S.G. Gmel.) O. Kuntze и др.). Всего известно около 60 таких видов, имеющих категорию охраны Красной книги Республики Беларусь, и около 30 видов из списка растений, нуждающихся в профилактической охране. Таким образом, с учетом невозможности содержания ряда охраняемых видов в условиях ex situ, коллекция редких и охраняемых видов растений ЦБС выделяется высокой репрезентативностью (таблица 2).

Таблица 2. Репрезентативность коллекции редких и охраняемых видов

Красная книга Республики Беларусь Коллекция редких и охраняемых видов
Категория охраны Количество видов Количество видов % представленности
I категория (на грани исчезновения) 62 18 29,03
II категория (исчезающие виды) 52 15 28,85
III категория (уязвимые виды) 46 25 54,35
IV категория (потенциально уязвимые) 29 20 68,96
Нуждающиеся в профилактической охране 115 32 27,83
Вероятно исчезнувшие в Беларуси 26 3 11,54
Всего: 330 113 34,24

По состоянию на 2023 г. в коллекции содержится 18 видов I охранной категории, что составляет 29,03% от общего числа растений, находящихся в Беларуси на грани исчезновения. Среди них Abies alba Mill., Osmunda regalis L., Sempervivum ruthenicum Schnittsp. et C.B.Lehm. и некоторые другие виды, известные в Беларуси в единичных местонахождениях. Представленность видов II охранной категории составляет 28,85%, среди которых можно отметить такие исчезающие в Беларуси растения как Carex ornithopoda Willd., Nuphar pumila (Timm) DC., Urtica kioviensis Rogow. Всего 25 видов (54,35% от общего числа), содержащихся в коллекции, имеют III категорию охраны. В их числе Betula humilis Schrank, Cenolophium denudatum (Hornem.) Tutin, Cypripedium calceolus L. и ряд других видов, находящихся в уязвимом положении. Наиболее представленной в коллекции является группа видов IV категории охраны, доля которых составляет 68,96% от общего числа. Среди них можно отметить такие потенциально уязвимые в условиях Беларуси растения как Arnica montana L., Festuca altissima All., Lunaria rediviva L. и ряд других (Мялик и др., 2023).

Не меньшую природоохранную ценность имеют также виды из списка растений, нуждающихся в профилактической охране. Как правило, это редкие и недостаточно изученные таксоны в отношении которых отсутствуют достоверные сведения об их современном распространении и численности, систематическом положении, а также эколого-биологических особенностях. Нередко такие виды произрастают на пределе своего ареала, а также выделяются высоким хозяйственным значением. Всего в коллекции представлено 27,83% таковых видов, среди которых можно отметить Asplenium trichomanes L., Jurinea cyanoides (L.) Rchb., Stachys recta L. Также в коллекции имеется 3 вида (Aposeris foettida (L.) Less., Linum flavum L., Sonchus palustris L.), которые в настоящее время относятся к категории вероятно исчезнувших во флоре Беларуси.

Таким образом, рассматриваемая коллекция редких и охраняемых видов растений выделяется высокой репрезентативностью, которая составляет 34,24% относительно всех сосудистых растений, включенных в Красную книгу Республики Беларусь. С учетом того, что 84 содержащихся в коллекции вида происходят из естественной флоры, для восстановительных мероприятий доступно 27,63% исчезающих в Беларуси видов, составляющих резервный генофонд.

До недавнего времени пополнение коллекции происходило без учета оценки генетического разнообразия популяций, из которых привлекались живые растения. Как правило, диаспоры редких и охраняемых растений изымались из ценопопуляций, выделяющихся достаточно высокой численностью, что не всегда может соответствовать их гетерогенности, а также пригодности данного материала для реализации успешных восстановительных мероприятий.

В связи с вышесказанным, на современном этапе развития коллекции редких и охраняемых видов растений возникла необходимость разработки новых подходов при формировании резервного генофонда. В настоящее время в рамках выполнения ряда научно-исследовательских работ проводится изучение генетического разнообразия популяций некоторых редких и охраняемых для флоры Беларуси видов растений. В их числе Lobelia dortmanna L., Berula erecta (Huds.) Cov, Isopyrum thalictroides L., а также ряд представителей семейства Orchidaceae.

На рисунке 1 представлены основные этапы оценки генетического разнообразия популяций редких видов растений, начиная от поиска популяций и отбора образцов в природе, лабораторных молекулярно-генетических исследований и заканчивая анализом полученных результатов. 

 Рис. 1. Основные этапы оценки генетического разнообразия популяций редких видов

Особое внимание в такой работе уделяется выбору модельных популяций редких и охраняемых видов, при котором учитывается не только возможность равномерного охвата известных местообитаний вида в пределах территории Беларуси, но и расположение этих ценопопуляций в различных частях ареала, гидрологических бассейнах рек, геоботанических подзонах и других природных районах. Все это имеет важное значение для оценки современного состояния вида и лучшего понимания его происхождения, что необходимо при разработке стратегий сохранения исчезающих растений. На рисунке 2 показаны подходы выбора модельных популяций на примере некоторых представителей семейства Orchidaceae.

Рис. 2. Исследованные популяции видов семейства Orchidaceae

Например, у Cypripedium calceolus L., более-менее равномерно распространенного на территории всей Беларуси, для анализа отобраны популяции из всех геоботанических подзон: широколиственно-сосновых (Дивин, Лунин, Выгонощи), грабово-дубово-темнохвойных (Дикое, Озеры), и дубово-темнохвойных (Сервечь, Кривинка) лесов. Для видов растений, у которых по территории Беларуси проходят границы ареалов, изучались как краевые популяции, так и расположенные в его оптимальной зоне. Например, у Cephalanthera longifolia (L.) Fritsch отобраны образцы из крайних северных популяций (Олехновичи, Березинский заповедник), а также популяций, расположенных в южной части Беларуси (Медно, Стрельск). У некоторых бореальных видов, находящихся в Беларуси на южной границе ареала, поиск крайних южных популяций в ряде случаев оказался безуспешным, что возможно объясняется их исчезновением в результате климатических изменений. В связи с этим изучение генетического разнообразия популяций видов данной группы (Liparis loeselii (L.) Rich, Herminium monorchis (L.) R.Br) имеет важное значение для оценки их современного состояния и определения перспектив сохранения во флоре Беларуси. У вида Ophrys insectifera L. для анализа отобраны популяций из всех известных в настоящее время на территории Беларуси локалитетов.

Отдельно следует остановиться на таком виде как Goodyera repens (L.) R. Br., который достаточно широко распространен на территории всей Беларуси и относится к числу растений, нуждающихся в профилактической охране. Соответственно, для изъятия образцов данного растения не требуются специальные разрешения Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь, что значительно упрощает работу с ним. Кроме этого, Goodyera repens (L.) R. Br., как вид с дизъюнктивным типом ареала, имеет ряд интересных особенностей в распространении, поскольку в южной части Беларуси на рубеже Предполесской и Полесской ландшафтных провинций проходит южная граница равнинной (бореальной) части ареала данного вида. На крайнем юго-западе Беларуси проходит северная граница горной (карпатской) части ареала Goodyera repens (L.) R. Br. Соответственно, территория Белорусского Полесья является частью дизъюнкции в ареале данного вида, что имеет важное значение при оценке генетического разнообразия и родства изученных популяций.

Для изучения особенностей генетического разнообразия популяций Goodyera repens (L.) R. Br. в Беларуси отобраны образцы растений из 8 локалитетов: Орхово (северная граница горного фрагмента ареала), Телеханы (южная граница равнинного фрагмента ареала), Зеленое, Хатынь, Богушевичи, Браслав и Голубицкая пуща (оптимальная зона ареала). Для каждой модельной популяции фиксировались точные географические координаты (таблица 3), выполнялось геоботаническое и флористическое описание фитоценоза, а также отбирался ваучерный гербарный образец, либо регистрация местонахождения в системе inaturalist.org.

Таблица 3. Характеристика модельных популяций Goodyera repens (L.) R. Br.

Модельная популяция Местоположение Коорди-наты Фитоценоз Положение в пределах ареала
Озеры Гродненская обл., Гродненский р-н, д. Озеры, 3,3 км к северо-востоку 53.748715, 24.220319 ельник зеленомошный с примесью сосны оптимальная зона
Орхово Брестская обл., Брестский р-н, д. Орхово, 0,7 км к юго-востоку 51.533553, 23.618968 сосняк зеленомошный северная граница горной части ареала
Телеханы Брестская обл., Ивацевичский р-н, д. Вулька-Телеханская, 5 км к западу-северо-западу 52.560617, 25.813525 ельник зеленомошный южная граница равнинной части ареала
Зеленое Минская обл., Минский р-н, окр. пос. Зеленое 53.974148, 27.291344 сосняк зеленомошный оптимальная зона
Голубицкая пуща Витебская обл., Глубокский р-н, д. Липово, 8 км к юго-западу 55.043741, 28.118587 сосняк зеленомошный с примесью ели оптимальная зона
Богушевичи Минская обл., Березинский р-н, д. Богушевичи, 1,6 км к западу 53.712199, 28.797044 сосняк зеленомошный оптимальная зона
Браслав Витебская обл., Браславский р-н, д. Дубки, 1,7 км к северо-западу 55.619684, 27.074589 сосняк зеленомошный на ледниковом озе оптимальная зона
Хатынь Минская обл., Логойский р-н, бывш. д. Хатынь, 2,3 км к западу-северо-западу 54.338050, 27.902731 ельник зеленомошный оптимальная зона

Отбор образцов для молекулярно-генетических исследований проводили из 5 растений у каждого из которых изымался и высушивался в силикагеле один внешне здоровый лист. Выделение ДНК осуществляли с помощью набора реагентов «ДНК-Экстран-3» (Синтол). Качество и количество выделенной ДНК проверяли с помощью NanoPhotometer Pearl Implen GmbH (Мюнхен, Германия). В результате было определено, что значения соотношения 260/280 варьирует от 1,65 до 1,86. В исследовании использовали 30 iPBS праймеров (Kalendar et al., 2010) (таблица 4). ПЦР проводили в 25 мкл реакционной смеси, содержащей 25–50 нг ДНК, 5 мкл готовой смеси для ПЦР ScreenMix (Евроген), 1 мМ праймера для 12–13 п.н. праймеров или 0,6 мМ для 18 п.н. праймеров.

Таблица 4. Праймеры, используемые в исследовании

Праймер Оптимальная температура отжига Ta (°C) Последовательность (5' – 3')
2389 50.0 ACATCCTTCCCA
2373 51.0 GAACTTGCTCCGATGCCA
2277 52.0 GGCGATGATACCA
2376 52.0 TAGATGGCACCA
2375 52.5 TCGCATCAACCA
2377 53.0 ACGAAGGGACCA
2378 53.0 GGTCCTCATCCA
2383 53.0 GCATGGCCTCCA
2374 53.5 CCCAGCAAACCA
2095 53.7 GCTCGGATACCA
2083 54.6 CTTCTAGCGCCA
2237 55.0 CCCCTACCTGGCGTGCCA
2239 55.0 ACCTAGGCTCGGATGCCA
2272 55.0 GGCTCAGATGCCA
2077 55.1 CTCACGATGCCA
2232 55.4 AGAGAGGCTCGGATACCA
2390 56.4 GCAACAACCCCA
2273 56.5 GCTCATCATGCCA
2394 56.5 GAGCCTAGGCCA
2220 57.0 ACCTGGCTCATGATGCCA
2242 57.0 GCCCCATGGTGGGCGCCA
2076 59.2 GCTCCGATGCCA
2271 60.0 GGCTCGGATGCCA
2415 61.0 CATCGTAGGTGGGCGCCA
2078 62.8 GCGGAGTCGCCA
2399 63.0 AAACTGGCAACGGCGCCA
2080 63.3 CAGACGGCGCCA
2081 65.0 GCAACGGCGCCA
2270 65.0 ACCTGGCGTGCCA
2079 65.2 AGGTGGGCGCCA

Программа ПЦР состояла из: 1 цикла при 95°С в течение 5 мин; 38 циклов при 95°C в течение 15 с, 50 циклов при 65,2°C (в зависимости от праймера) в течение 60 с или 68°C в течение 90 с. Финальную элонгацию осуществляли при 72°C в течение 8 мин. Амплификацию проводили в программируемом терморегуляторе С1000 Touch Thermal Cycler (MJ Research Inc., Bio-Rad Laboratories, США). Электрофорез шел при напряжении в 65V на протяжении 4,5 часов в 1,8% агарозном геле. Для окрашивания геля использовали бромид этидия в течении 30 минут, а визуализировали с использованием системы UV Imager Gel Doc XR+ (Bio-Rad, США).

Полученные данные в виде бинарной матрицы, обрабатывали с помощью программы PopGene 1.31 для расчета следующих параметров: доля полиморфных локусов (Р), эффективное (Ne) и наблюдаемое число аллелей (Na), информационный индекс Шеннона (I) генетическое разнообразие Нея (He). Эти параметры выбраны как наиболее подходящие для доминантных молекулярных маркеров (Ali, 2019). Для построения дендрограммы родства модельных популяций методом ward.D2 использовали пакет Stats для R.

Результаты исследований показали, что для оценки генетического разнообразия и генетической дифференциации популяций Goodyera repens (L.) R. Br. подходящими оказались 11 маркеров из 30 используемых (2375, 2377, 2383, 2239, 2232, 2390, 2273, 2242, 2076, 2078, 2081), поскольку они позволили получить четкие фрагменты ДНК с полиморфными локусами (Самохвалова, Шлапакова, Мялик, 2023).

Полученные данные (таблица 5) показали, что наибольшая доля полиморфных локусов обнаружена для модельных популяций Телеханы (46,86%) и Зеленое (39,61%), а наименьшая выявлена для популяции Браслав (24,15%). В исследованных популяциях наблюдаемое число аллелей (Na) варьирует от 1,24 в популяции Браслав до 1,47 в популяции Телеханы. Максимальное эффективное число аллелей (1,27) было обнаружено также в популяции Tелеханы, а наименьшее их количество (1,15) выявлено в популяции Браслав. На основании значений (He) и (I) для популяции Телеханы выявлено наибольшее генетическое разнообразие, что является основанием для пополнения коллекции редких и охраняемых видов растениями именно из этой популяции.

Полученные данные показывают, что не выявлено зависимости между уровнем генетического разнообразия популяций и их положением в краевой или оптимальной зонах ареала у Goodyera repens (L.) R. Br. в пределах Беларуси. Такие краевые популяции как Телеханы и Орхово характеризуются высоким уровнем генетической гетерогенности. Для популяций Браслав и Богушевичи, расположенных в северной и центральной частях Беларуси, уровень генетического разнообразия значительно ниже. Вероятно, общий высокий уровень генетического разнообразия всех изученных популяций можно объяснить достаточно частой встречаемостью этого вида в пределах ареала, что обеспечивает поток генов между соседними популяциями.

Таблица 5. Параметры генетического разнообразия исследованных популяций Goodyera repens (L.) R. Br.

Модельная популяция Параметры
доля полиморфных локусов (%) наблюдаемое число аллелей (Na) эффективное число аллелей (Ne) генетическое разнообразие Нея (He) информацион-ный индекс Шеннона (I)
Озеры 38,65 1,39 ± 0,03 1,26 ± 0,03 0,14 ± 0,01 0,21 ±0,02
Орхово 32,37 1,32 ± 0,03 1,21 ± 0,03 0,12 ± 0,01 0,18 ± 0,02
Телеханы 46,86 1,47 ± 0,04 1,27 ± 0,03 0,16 ± 0,01 0,24 ± 0,02
Зеленое 39,61 1,40 ± 0,03 1,26 ± 0,03 0,15 ± 0,01 0,22 ± 0,02
Голубицкая пуща 33,33 1,33 ± 0,03 1,23 ± 0,03 0,13 ± 0,01 0,19 ± 0,02
Богушевичи 29,95 1,30 ± 0,03 1,19 ± 0,02 0,11 ± 0,01 0,16 ± 0,02
Браслав 24,15 1,24 ± 0,03 1,15 ± 0,02 0,09 ± 0,01 0,13 ± 0,02
Хатынь 35,75 1,36 ± 0,03 1,23 ± 0,02 0,13 ± 0,01 0,19 ± 0,02

Рис. 3. Генетическое родство популяций Goodyera repens (L.) R. Br. в Беларуси

С учетом того, что исследованные популяции находятся в различных частях ареала данного вида, наряду с оценкой их генетической гетерогенности важно выявить также их генетическую обособленность. Полученные данные показывают, что наименьшее значение генетического расстояния Нея (0,03) наблюдалось среди популяций Озеры и Орхово, а наибольшее между популяциями Озеры и Хатынь. Результаты анализа ward.D2 (рисунок 3) основанные на данных матрицы расстояния Нея также подтверждают эти данные и демонстрируют генетическую удаленность популяции Хатынь от всех остальных. Популяции Озеры, Орхово и Телеханы, расположенные в западной части Беларуси, находятся ближе всего друг к другу и генетическое расстояние Нея между ними наименьшее. В отдельную группу объединяются популяции Зеленое, Голубицкая пуща, Богушевичи и Браслав, расположенные в центральной и северной частях Беларуси.

Полученные данные позволяют выделить в пределах Беларуси как минимум 2 генетически обособленные группы популяций, разнородность которых, вероятно, объясняется особенностями развития растительного покрова Беларуси в послеледниковый период. По нашему мнению, популяции Орхово, Озеры и Телеханы, расположенные в западной и южной частях Беларуси, имеют генетическую связь с центральноевропейским (горным, карпатским) фрагментом ареала Goodyera repens (L.) R. Br. Следовательно, популяции Браслав, Богушевичи, Хатынь, Зеленое и Голубицкая пуща, расположенные в Белорусском Поозерье и в области Центрально-Белорусских возвышенностей, генетически связаны с северной частью Европы (равнинным фрагментом ареала данного вида) (Самохвалова и др., 2023).

Таким образом, в результате проделанных исследований выполнена оценка генетического разнообразия популяций Goodyera repens (L.) R. Br. в Беларуси. Модельные популяции Телеханы и Орхово, выделяются наибольшей гетерогенностью, что делает целесообразным использовать их для пополнения коллекции редких и охраняемых видов растений. Живые растения из данных популяций, содержащиеся в условиях ex situ, являются составной частью резервного генофонда исчезающих видов флоры Беларуси и могут использоваться для осуществления восстановительных мероприятий.

***

В настоящее время на примере некоторых представителей семейства Orchidaceae (Goodyera repens (L.) R. Br. и Cypripedium calceolus L.) в Центральном ботаническом саду НАН Беларуси разработана и успешно опробирована система пополнения резервного генофонда на основе оценки генетического разнообразия популяций редких и исчезающих видов. Данный подход, включающий получение разрешительных документов в Министерстве природных ресурсов, поиск популяций в природе и отбор образцов, выполнение лабораторных молекулярно-генетических исследований и анализ полученных данных, позволяет выделить популяции с высоким генетическим разнообразием, материал из которых может использоваться для пополнения резервного генофонда и реализации успешных восстановительных мероприятий. Кроме этого комплексное изучение редких и исчезающих видов позволяет разработать стратегии их сохранения и оценить возможность существования вида на территории Беларуси в долгосрочной перспективе.

Работа представлена в виде научного доклада на конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники, разрабатываемые в ботанических садах в XXI веке» в рамках VI Съезда ботанических садов стран СНГ при Международной ассоциации академий наук.

Литература

Красная книга Республики Беларусь. Растения / гл. редкол.: Л. И. Хоружик. Минск, 2015. 445 с.

Мялик А. Н., Шлапакова Т. Г., Гулис А. Л., Самохвалова Н. В., Титок В. В. Современное состояние и перспективы развития коллекции редких и охраняемых видов растений Центрального ботанического сада НАН Беларуси // Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием «Наследие академика Н.В. Цицина: Ботанические сады. Отдалённая гибридизация растений и животных» . Москва, 2023. С. 52 – 56.

Падутов В. Е., Хотылева Л. В., Баранов О. Ю., Ивановская С. И. Генетические эффекты трансформации лесных экосистем // Экологическая генетика. 2008. Т. VI, №1. С. 3–11.

Самохвалова Н. В., Мялик А. Н., Шлапакова Т. Г., Кручонок А. В. Оценка генетической изменчивости популяций гудайеры ползучей (Goodyera repens (L.) R. Br.) в Беларуси с использованием молекулярных iPBS маркеров // Ботаника (исследования) 2023. Вып. 52. С. 28 – 37.

Самохвалова Н. В., Шлапакова Т. Г., Мялик А. Н. Подбор молекулярных маркеров iPBS для исследования генетического разнообразия популяций гудайеры ползучей (Goodyera repens (L.) R.Br.) в Беларуси // Мониторинг и охрана окружающей среды. Материалы Республиканской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов. Брест, 2023. С. 160–162.

Сектор сохранения и восстановления растительных ресурсов // Центральный ботанический сад НАН Беларуси, 2023; URL: https://cbg.org.by/structure/ssvrr (data: 01.10.2023)

Ali F., Abdurrahim Y., Habyarimana E, Subaşi I., Nawaz M., Chaudhary H., Shahid M., Ercişli S., Zia M., Chung G. Faheem Shehzad Baloch Mobile genomic element diversity in world collection of safflower (Carthamus tinctorius L.) panel using iPBS-retrotransposon markers // PLoS One. 2019. Vol. 14, № 2. DOI:10.1371/journal.pone.0211985

Global Strategy for Plant Conservation, 2023; URL: https://www.cbd.int/gspc (data: 03.10.2023)

Kalendar R., Antonius K., Smýkal P., Schulman A. IPBS: a universal method for DNA fingerprinting and retrotransposon isolation // Theoretical and applied genetics. 2010. Vol. 121, N 8. P. 1419–1430.




Просмотров: 174; Скачиваний: 60;