Cytogenetic evaluation of Pinus sylvestris L. in the European North of Russia (Republic of Karelia)
Abstract
This article presents the results of cytogenetic analysis of the Pinus sylvestris L. seed progeny from 5 populations growing in the boreal forests of the European North of Russia (Republic of Karelia). Based on the study of plants karyotype, it was found that in addition to diploid cells some seedlings contained single tetraploid and aneuploid cells. Mainly, mixoploid plants were found in Sheltozerskoye and Ambarnskoye forest divisions. It is important to note that these populations were characterized by high values of such indicators as the frequency of mitotic pathologies at the metaphase and ana-telophase stages (5.3 ± 0.6 and 7.1 ± 0.6 % respectively), as well as the proportion of cells with micronuclei (0.2 ± 0.06 and 0.1 ± 0.04 % respectively) in the root meristem of Pinus sylvestris. However, despite data received, seeds from Sheltozersky and Ambarnsky forest divisions had high germination values. Nine types of chromosome aberrations were found due to the analysis: fragmentation, bridges, ring chromosomes, lagging, chromosome leading, isolation, multipolar and chaotic chromosome divergence, complex (multiple) disorders. In most of the seedlings studied, the most common pathology was chromosome overrun. In addition, the study showed that bridges proportion in the total disturbances’ spectrum at the ana-telophase stages of mitosis increases by ~ 3.5 times in Pinus sylvestris populations growing in the northern taiga subzone compared to the middle taiga populations. In most of the seedlings studied, the most common pathology was chromosome overrun. Thus, the use of a cytogenetic test made it possible to evaluate the state of Pinus sylvestris genome from different populations in the European North of Russia and to identify responses aimed at plant adaptation to environmental conditions at the cellular level.
Downloads
Metrics
References
Butorina A. K., Kalaev V. N., Mironov A. N., Smorodinova V. A., Mazurova I. E., Doroshev S. A., Sen’kevich E. V. 2001. Cytogenetic variation in populations of Scotch pine. Russian Journal of Ecology 32(3): 198–202. DOI: 10.1023/a:1011366328809
Буторина А. К., Ермолаева О. В., Черкашина О. Н., Мазурова И. Э., Белоусов М. В., Чернодубов А. И. Перспективы использования цитогенетического анализа в лесоводстве на примере оценки состояния островных боров Воронежской области // Успехи современной биологии, 2008. Т. 128, № 4. С. 400–408.
Daev E. V., Dukelskaya A. V., Barabanova L. V. 2015. Cytogenetic approaches for determining ecological stress in aquatic and terrestrial biosystems. Russian Journal of Genetics: Applied Research 5(5): 441–448. DOI: 10.1134/s2079059715050056
Evseeva T. I., Belykh E. S., Maistrenko T. A., Geras’kin S. A., Brown J. E. 2011. Assessment of the reproductive capacity of Pinus sylvestris trees growing under conditions of chronic exposure to radionuclides of uranium and thorium series. Russian Journal of Ecology 42(5): 382–387. DOI: 10.1134/S1067413611050055
Ganem N. J., Pellman D. 2012. Linking abnormal mitosis to the acquisition of DNA damage. Journal of Cell Biology 199(6): 871–881. DOI: 10.1083/jcb.201210040
Гераськин С. А., Дикарева Н. С., Удалова А. А., Спиридонов С. И., Дикарев В. Г. Цитогенетические эффекты в популяциях сосны обыкновенной из районов Брянской области, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате аварии на Чернобыльской АЭС // Радиационная биология. Радиоэкология, 2008. Т. 48, № 5. С. 584–595.
Geras’kin S. A., Kim J. K., Oudalova A. A., Vasiliyev D. V., Dikareva N. S., Zimin V. L., Dikarev V. G. 2005. Bio-monitoring the genotoxicity of populations of Scots pine in the vicinity of a radioactive waste storage facility. Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis 583(1): 55–66. DOI: 10.1016/j.mrgentox.2005.02.003
Гераськин С. А., Кузьменков А. Г., Васильев Д. В. Временная динамика цитогенетических эффектов в хронически облучаемых популяциях сосны обыкновенной // Радиационная биология. Радиоэкология, 2018. Т. 58, № 1. С. 74–84. DOI: 10.7868/s0869803118010083
Geras’kin S., Volkova P., Vasiliyev D., Dikareva N., Oudalova A., Kazakova E., Makarenko E., Duarte G., Kuzmenkov A. 2019. Scots pine as a promising indicator organism for biomonitoring of the polluted environment: A case study on chronically irradiated populations. Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis 842: 3–13. DOI: 10.1016/j.mrgentox.2018.12.011
Горячкина О. В., Сизых О. А. Цитогенетические реакции хвойных растений в антропогенно нарушенных районах г. Красноярска и его окрестностей // Хвойные бореальной зоны, 2012. № 1–2. С. 46–51.
Государственный доклад о состоянии окружающей среды Республики Карелия в 2013 году. Петрозаводск: ООО «Версо», 2014. 300 с.
Государственный доклад о состоянии окружающей среды Республики Карелия в 2019 году. Петрозаводск: ООО «Версо». 2020. 248 с.
Громов Ю. А. Отчет о результатах прогнозно-геофизических работ масштаба 1 : 50000 партии № 8 и партии № 7 на Прионежской площади в 1977 и 1981 годах. ТГФ по Республике Карелия. 1982. Т. 1. Текст отчета. 157 с. Инв. № 3297.
Игнатенко Р. В. Цитогенетические исследования семенного потомства Pinus sylvestris L., произрастающей в районе Сегежского ЦБК // Труды Карельского научного центра РАН, 2021. № 11. С. 93–102. DOI: 10.17076/eb1499
Ильинских Н. Н., Новицкий В. В., Ванчугова Н. Н., Ильинских И. Н. Микроядерный анализ и цитогенетическая нестабильность. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1992. 269 с.
Ивантер Э. В., Коросов А. В. Введение в количественную биологию: учебное пособие для студентов биологических специальностей. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2011. 304 с.
Kalashnik N. A. 2008. Chromosome aberrations as indicator of technogenic impact on conifer stands. Russian Journal of Ecology 39(4): 261–271. DOI: 10.1134/s106741360804005x
Калаев В. Н., Игнатова И. В., Калаева Е. А. Цитогенетический полиморфизм семенного потомства деревьев ели белой (Picea glauca (Moench) Voss) при интродукции в Воронежской области // Turczaninowia, 2020. Т. 23, № 3. С. 185–204. DOI: 10.14258/turczaninowia.23.3.16
Кунах В. А. Геномная изменчивость соматических клеток растений. 2. Изменчивость в природе // Биополимеры и клетка, 1995. Т. 11, № 6. С. 5–40.
Levine M. S., Holland A. J. 2018. The impact of mitotic errors on cell proliferation and tumorigenesis. Genes and development 32(9–10): 620–638. DOI: 10.1101/gad.314351.118
Машкина О. С., Калаев В. Н., Мурая Л. С., Леликова Е. С. Цитогенетические реакции семенного потомства сосны обыкновенной на комбинированное антропогенное загрязнение в районе Новолипецкого металлургического комбината // Экологическая генетика, 2009. № 3. С. 17–29. DOI: 10.17816/ecogen7317-29
Машкина О. С., Тихонова И. В., Муратова Е. Н., Мурая Л. С. Цитогенетические особенности семенного потомства карликовых сосен на Юге Восточной Сибири // Хвойные бореальной зоны, 2012. № 1–2. С. 127–135.
Муратова Е. Н. Хромосомные мутации у сосны обыкновенной в Южном Забайкалье // Известия Академии наук СССР. Серия биологическая, 1991. № 5. С. 689–699.
Муратова Е. Н., Зубарева О. Н. Цитогенетическое изучение сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в районе выбросов тепловой электростанции // Известия Академии наук СССР. Серия биологическая, 1990. № 3. С. 36–41.
Удалова А. А., Гераськин С. А. Временная динамика и эколого-генетическая изменчивость цитогенетических эффектов в испытывающих техногенное воздействие популяциях сосны обыкновенной // Журнал общей биологии, 2011. Т. 72, № 6. С. 455–471.
Pardayeva E. U., Mashkina O. S., Popov V. N. 2017. State of Pinus sylvestris L. generative sphere according to cytogenetic analysis in changing climate conditions on the territory of Voronezh oblast. Contemporary Problems of Ecology 3: 271–276. DOI: 10.1134/s1995425517030088
Пименов А. В., Седельникова Т. С. Аномалии митоза в проростках Pinus sylvestris (Pinaceae) на евтрофном осушенном болоте // Бот. журн., 2006. Т. 91, № 10. С. 1537–1544.
Правдин Л. Ф. Сосна обыкновенная. Изменчивость, внутривидовая систематика, селекция. М.: Изд-во «Наука», 1964. 192 с.
Правдин Л. Ф., Бударагин В. А., Круклис М. В., Шершукова О. П. Методика кариологического изучения хвойных пород // Лесоведение, 1972. Т. 2. С. 67–75.
Prus-Głowacki W., Chudzińska E., Wojnicka-Półtorak A., Kozacki L., Fagiewicz K. 2006. Effects of heavy metal pollution on genetic variation and cytological disturbances in the Pinus sylvestris L. population. Journal of Applied Genetics 47(2): 99–108. DOI: 10.1007/BF03194607
Пухальский В. А., Соловьев А. А., Бадаева Е. Д., Юрцев В. Н. Практикум по цитологии и цитогенетике растений. М.: Изд-во «Колос», 2007. 198 с.
Sedel’nikova T. S. 2016. Variability of genome size in conifers under extreme environmental conditions. Biology Bulletin Reviews 6(2): 177–188. DOI: 10.1134/S2079086416020079
Sedel’nikova T. S., Pimenov А. V. 2010. Chromosomal mutations in Scots pine (Pinus sylvestris L.) growing in a hydromorphic environment: first case of a giant chromosome detection. Biology Bulletin 37(4): 351–356. DOI: 10.1134/S1062359010040047
Седельникова Т. С., Пименов А. В. Изменчивость числа хромосом и хромосомные перестройки у Pinus sylvestris (Pinaceae) в засушливых условиях Нижнего Поволжья и Южной Сибири // Бот. журн., 2021. Т. 106, № 4. С. 353–362. DOI: 10.31857/S0006813621040116
Симаков Е. А. О пострадиацинном восстановлении цитогенетических повреждений в проростках семян разных форм картофеля // Радиобиология, 1983. Т. 23, вып. 5. С. 703–706.
Волков А. Д. Типы леса Карелии. Петрозаводск: КарНЦ РАН. 2008. 180 с.
Егоркина Г. И. Цитогенетические параметры сосны обыкновенной в Алтайском крае // Лесоведение, 2010. № 6. С. 39–45.
Turczaninowia is a golden publisher, as we allow self-archiving, but most importantly we are fully transparent about your rights.
Authors may present and discuss their findings ahead of publication: at biological or scientific conferences, on preprint servers, in public databases, and in blogs, wikis, tweets, and other informal communication channels.
Turczaninowia allows authors to deposit manuscripts (currently under review or those for intended submission to Turczaninowia) in non-commercial, pre-print servers such as ArXiv.
Authors who publish with this journal agree to the following terms:
- Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.
- Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.
- Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access).
