Genetic diversity, genetic structure and differentiation of Siberian larch populations in the Urals
Keywords:
abscisic acid, genetic diversity, ISSR-markers, Larix sibirica Ledeb, populations, resin acids, Larix sibirica Ledeb.
Abstract
We studied 10 populations of Larix sibirica Ledeb. located in the Urals. They are characterized by high rates of genetic diversity (P95 = 0.951; HE = 0.202; ne = 1.471). An analysis of the genetic structure of the studied L. sibirica populations showed that the population subdivision index (GST) is 0.297, most of the genetic diversity of the ten studied L. sibirica populations is concentrated within the populations (70.3 %). The studied populations of L. sibirica are differentiated into four groups in accordance with the altitudinal-latitudinal zonality of the studied region. The results of a study of the genetic structure of Siberian larch populations, carried out using various methods (STRUCTURE 2.3.4, analysis of the main coordinates – PСoA, SAMOVA 2.0) confirm the division of ten studied L. sibirica populations into mountain ones (Ls1, Ls2, Ls6), foothill (Ls9, Ls10), Plain North Ural (Ls3, Ls4, Ls5) and Plain Central Ural (Ls7, Ls8). However, the genetic identity of the nine studied L. sibirica populations has been proven using the STRUCTURE program. The smallest genetic distance was observed between the populations Ls3 / Ls4 (DN = 0.028) and Ls1 / Ls2 (DN = 0.034), the largest one (DN = 0.263) was observed between the populations Ls8 and Ls9. Genetic distance does not always reflect the geographical location of the populations studied. In some cases, populations located at a greater geographical distance from each other (Ls1 and Ls10) were closer on the dendrogram than spatially close ones (Ls1 and Ls3). The study of the genetic diversity and differentiation of populations of coniferous plant species is important for studying the content of their resin acids under different growing conditions, including the content of abscisic acid characteristic of L. sibirica in trees with different genotypes.
Downloads
Download data is not yet available.
Metrics
Metrics Loading ...
References
Адрианова И. Ю. Генетическая изменчивость и дифференциация лиственниц Камчатки, Сахалина и Курил // Сибирский лесной журнал, 2014. № 4. С. 110–116.
Assoumane A., Zoubeirou A. M., Rodier-Goud M., Favreau B., Bezançon G., Verhaegen D. 2013. Highlighting the occurrence of tetraploidy in Acacia senegal (L.) Willd. and genetic variation patterns in its natural range revealed by DNA microsatellite markers. Tree Genetics & Genomes 9: 93–106. DOI: 10.1007/s11295-012-0537-0
Бабкин В. А. Биомасса лиственницы: от химического состава до инновационных продуктов: монография. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2011. 236 с.
Dupanloup A., Schneider S., Excoffier L. 2002. Simulated annealing approach to define the genetic structure of populations. Molecular Ecology 11(12): 2571–2581.
Дылис Н. В. Сибирская лиственница. Материалы к систематике, географии и истории. М.: Изд-во МОИП, 1947. 137 с.
Earl A., von Holdt M. 2012. STRUCTURE HARVESTER: a website and program for visualizing STRUCTURE output and implementing the Evanno method. Conservation Genetics Resources 4(2): 359–361.
Evanno G., Regnaut S., Goudet J. 2005. Detecting the number of clusters of individuals using the software STRUCTURE: a simulation study. Mol. Ecol. 14: 2611–2620.
Falush D. M., Stephens J. K. 2003. Pritchard Inference of population structure using multilocus genotype data: linked loci and correlated allele frequencies. Genetics 164: 1567–1587.
Гоголь Е. С., Костыро Я. А., Трофимова Н. Н., Бабкин В. А. Рациональное использование биомассы лиственницы сибирской как источника биологически активных веществ для создания средств с ранозаживляющей активностью // Климат, экология, сельское хозяйство Евразии: Материалы VIII междунар. науч.-практ. конф. Иркутск: Иркутский гос. аграр. ун-т им. А. А. Ежевского, 2019. С. 76–83.
Говорушко С. М. Экологические последствия лесозаготовок // Лесной журнал, 2014. № 1(337). С. 45–53.
Игошина К. Н. Лиственница на Урале // Материалы по истории флоры и растительности СССР. Вып. 4. Л.: Изд-во АН СССР, 1963. С. 462–492.
Kimura M., Crow J. F. 1964. The number of alleles that can be maintained in a finite population. Genetics (US) 49: 725–738.
Коршиков И. И., Горлова Е. М., Коба В. П. Высотно поясная генетическая дифференциация популяций сосны крымской (Pinus pallasiana D. Don) в горном Крыму // Промышленная ботаника 2009. Вып. 9. С. 110–116.
Кузнецов Н. И. Юго-западная, южная и юго-восточная граница распространения лиственницы (Larix sibirica Ledeb.) в пределах Европейской России // Юбилейный сборник, посвященный И. П. Бородину. Л.: Государственное Русское Ботаническое общество, 1927. С. 231–256.
Ларионова А. Я., Экарт А. К. Генетическая структура и дифференциация разновысотных популяций пихты сибирской в Западном Саяне // Экологическая генетика, 2005. № 3, вып. 2. С. 22–28.
Лесной план Пермского края на 2018–2027 гг. (с изменениями по форме, утвержденной приказом Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации от 20 декабря 2017 г. № 692), утв. указом губернатора Пермского края от 19.04.2018 № 36. URL: https://priroda.permkrai.ru/timberraw/les_plan/Лесной%20план%20Пермского%20края%20на%202018-2027%20годы.pdf
Linhart Y. B., Grant M. C. 1996. Evolutionary significance of local genetic differentiation in plants. Annu. Rev. Ecol. Syst. 27: 237–77. DOI: 10.1146/annurev.ecolsys.27.1.237
Maier J. 1992. Genetic variability in European larch (Larix decidua Mill). Ann. Sei. For. 49: 39–47. DOI: 10.1051/forest:19920104
Малиновский К. А., Царик И. В., Жиляев Г. Г. О границах природных популяций растений // Журн. общ. биол., 1988. Вып. 49, № 1. С. 46–58.
Mantel N. 1967. The detection of disease clustering and a generalized regression approach. Cancer Res 27: 209–220.
Mosca E., Eckert A. J., Liechty J. D., Wegrzyn J. L. 2012. Contrasting patterns of nucleotide diversity for four conifers of Alpine European forests. Evolutionary Applications 5: 762–775. DOI: 10.1111/j.1752-4571.2012.00256.x
Нечаева Ю. С., Бельтюкова Н. Н., Пришнивская Я. В., Тайман К. Е. Оптимизация методики выделения ДНК некоторых хвойных видов растений Пермского края // Синтез знаний в естественных науках. Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование: Материалы междунар. конф. Пермь: Перм. гос. нац. иссл. ун-т, 2011. С. 278–282.
Нечаева Ю. С. Боронникова С. В., Юсупов Р. Р., Хайнце Б. Изучение полиморфизма ISSR-маркеров в природных и искусственных популяциях лиственницы // Фундаментальные исследования, 2013. № 6, Ч. 6. C. 1426–1431.
Nei M. 1972. Genetic distance between populations. Amer. Naturalist 106: 283–292.
Nei M. 1987. Molecular evolutionary genetics. New York: Columbia University Press. 512 pp.
Nei M., Chesser R. K. 1975. Estimation of fixation indexes and gene diversities. Annals of Human Genetics 47: 253–259.
Nei M., Li W.-H. 1979. Mathematical model for studying genetic variation in terms restriction endonucleases. Proceedings the National Academy Sciences. USA 76: 5269–5273.
Орешкова Н. В., Белоконь М. М. Генетическая дифференциация популяций лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) по микросателлитным локусам // Вестник КрасГАУ. 2012. № 2. С. 111–116.
Орешкова Н. В., Белоконь М. М., Жамъянсурен С. Генетическое разнообразие, популяционная структура и дифференциация лиственниц сибирской, Гмелина и Каяндера по данным SSR-маркеров // Генетика, 2013. Т. 49, № 2. С. 20 –213. DOI: 10.7868/S0016675812120090
Orloci L. 1978. Multivariate analysis in vegetation research. Dordrecht: Springer. 455 pp.
Peakall R., Smouse P. E. 2006. GenAlEx6: Genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research. Mol. Ecol. Not. 6: 288–295. DOI: 10.1111/j.1471-8286.2005.01155.x
Полежаева М. А., Семериков В. Л. Генетическая изменчивость cpSSR-маркеров в роде Larix на Дальнем Востоке // Вестник СВНЦ ДВО РАН, 2009. № 2. С. 75–83.
Путенихин, В. П. Лиственница Сукачева на Урале. Изменчивость и популяционно-генетическая структура. М.: Наука, 2004. 276 с.
Putenikhin V. P., Martinsson O. 1995. Present distribution of Larix sukaczewii Dyl. in Russia. Umea: Swed. Univ. Agr. Sci. Dep. Silvi. 78 pp.
Rogers S. O., Bendich A. J. 1985. Extraction of DNA from milligram amounts of fresh, herbarium and mummified plant tissues. Plant Molecular Biology 1(19): 69–76.
Шигапов З. Х., Шигапова А. И., Уразбахтина К. А. Генетическая изменчивость и популяционная структура лиственницы Сукачева на Урале // Вестник ОГУ, 2009. № 6. С. 438–440.
Шварц С. С. Экологические закономерности эволюции. М., 1980. 278 с.
Simak M. 1979. Larix sukaczewii – Naturlig utbredning, biologi, ekologi och fröanskaffningsproblem. Umea: Swed. Univ. Agr. Sci. Dep. Silvi. 76 pp.
Smulders M. J. M., Cottrell J. E., Lefèvre F., van der Schoot J., Arens P. 2008. Structure of the genetic diversity in black poplar (Populus nigra L.) populations across European river systems: Consequences for conservation and restoration. Forest Ecology and Management 255(5): 1388–1399.
Svetlakova T. N., Boronnikova S. V., Yanbaev Yu. A. 2014. Genetic diversity and differentiation in Ural populations of the aspen, Populus tremula L., as revealed by inter-simply sequence repeat (ISSR) markers. Silvae Genetica 63(1–2): 39–41. DOI: 10.1515/sg-2014-0006
Терентьева Э. П., Удовенко Н. К., Павлова Е. А. Химия древесины, целлюлозы и синтетических полимеров: учебное пособие. Ч. 2. СПб.: СПбГТУРП, 2015. 83 с.
Ветчинникова Л. В., Титов А. Ф., Кузнецова Т. Ю. Карельская береза: биологические особенности, динамика ресурсов и воспроизводство. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2013. 312 с.
Wang Q., Wang M., Hao J. 2012. Genetic variation in natural populations of Prince Rupprecht’s larch (Larix principis-rupprechtii) with elevation in the Guandi Mountain. In: International Conference on Biomedical Engineering and Biotechnology. China: IEEE. Pp. 321–324. DOI: 10.1109/iCBEB.2012.234
Williams J. G. K., Kubelik A. R., Livak K. J., Rafalski J. A., Tingey S. V. 1990. DNA polymorphisms amplified by arbitrary primers are useful as genetic markers. Nucl. Acids Res. 18: 6531–6535.
Yeh F. C., Young R. C., Mao J. 1999. POPGENE, the Microsoft Windows-based user-friendly software for population genetic analysis of co-dominant and dominant markers and quantitative traits. Edmonton: University of Alberta. 238 pp.
Zhang L., Zhang H. G., Li X. F. 2013. Analysis of genetic diversity in Larix gmelinii (Pinaceae) with RAPD and ISSR markers. Genet. Mol. Res. 12(1): 196–207. DOI: 10.4238/2013.January.24.12
Животовский Л. А. Популяционная биометрия. М.: Наука, 1991. 271 с.
Assoumane A., Zoubeirou A. M., Rodier-Goud M., Favreau B., Bezançon G., Verhaegen D. 2013. Highlighting the occurrence of tetraploidy in Acacia senegal (L.) Willd. and genetic variation patterns in its natural range revealed by DNA microsatellite markers. Tree Genetics & Genomes 9: 93–106. DOI: 10.1007/s11295-012-0537-0
Бабкин В. А. Биомасса лиственницы: от химического состава до инновационных продуктов: монография. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2011. 236 с.
Dupanloup A., Schneider S., Excoffier L. 2002. Simulated annealing approach to define the genetic structure of populations. Molecular Ecology 11(12): 2571–2581.
Дылис Н. В. Сибирская лиственница. Материалы к систематике, географии и истории. М.: Изд-во МОИП, 1947. 137 с.
Earl A., von Holdt M. 2012. STRUCTURE HARVESTER: a website and program for visualizing STRUCTURE output and implementing the Evanno method. Conservation Genetics Resources 4(2): 359–361.
Evanno G., Regnaut S., Goudet J. 2005. Detecting the number of clusters of individuals using the software STRUCTURE: a simulation study. Mol. Ecol. 14: 2611–2620.
Falush D. M., Stephens J. K. 2003. Pritchard Inference of population structure using multilocus genotype data: linked loci and correlated allele frequencies. Genetics 164: 1567–1587.
Гоголь Е. С., Костыро Я. А., Трофимова Н. Н., Бабкин В. А. Рациональное использование биомассы лиственницы сибирской как источника биологически активных веществ для создания средств с ранозаживляющей активностью // Климат, экология, сельское хозяйство Евразии: Материалы VIII междунар. науч.-практ. конф. Иркутск: Иркутский гос. аграр. ун-т им. А. А. Ежевского, 2019. С. 76–83.
Говорушко С. М. Экологические последствия лесозаготовок // Лесной журнал, 2014. № 1(337). С. 45–53.
Игошина К. Н. Лиственница на Урале // Материалы по истории флоры и растительности СССР. Вып. 4. Л.: Изд-во АН СССР, 1963. С. 462–492.
Kimura M., Crow J. F. 1964. The number of alleles that can be maintained in a finite population. Genetics (US) 49: 725–738.
Коршиков И. И., Горлова Е. М., Коба В. П. Высотно поясная генетическая дифференциация популяций сосны крымской (Pinus pallasiana D. Don) в горном Крыму // Промышленная ботаника 2009. Вып. 9. С. 110–116.
Кузнецов Н. И. Юго-западная, южная и юго-восточная граница распространения лиственницы (Larix sibirica Ledeb.) в пределах Европейской России // Юбилейный сборник, посвященный И. П. Бородину. Л.: Государственное Русское Ботаническое общество, 1927. С. 231–256.
Ларионова А. Я., Экарт А. К. Генетическая структура и дифференциация разновысотных популяций пихты сибирской в Западном Саяне // Экологическая генетика, 2005. № 3, вып. 2. С. 22–28.
Лесной план Пермского края на 2018–2027 гг. (с изменениями по форме, утвержденной приказом Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации от 20 декабря 2017 г. № 692), утв. указом губернатора Пермского края от 19.04.2018 № 36. URL: https://priroda.permkrai.ru/timberraw/les_plan/Лесной%20план%20Пермского%20края%20на%202018-2027%20годы.pdf
Linhart Y. B., Grant M. C. 1996. Evolutionary significance of local genetic differentiation in plants. Annu. Rev. Ecol. Syst. 27: 237–77. DOI: 10.1146/annurev.ecolsys.27.1.237
Maier J. 1992. Genetic variability in European larch (Larix decidua Mill). Ann. Sei. For. 49: 39–47. DOI: 10.1051/forest:19920104
Малиновский К. А., Царик И. В., Жиляев Г. Г. О границах природных популяций растений // Журн. общ. биол., 1988. Вып. 49, № 1. С. 46–58.
Mantel N. 1967. The detection of disease clustering and a generalized regression approach. Cancer Res 27: 209–220.
Mosca E., Eckert A. J., Liechty J. D., Wegrzyn J. L. 2012. Contrasting patterns of nucleotide diversity for four conifers of Alpine European forests. Evolutionary Applications 5: 762–775. DOI: 10.1111/j.1752-4571.2012.00256.x
Нечаева Ю. С., Бельтюкова Н. Н., Пришнивская Я. В., Тайман К. Е. Оптимизация методики выделения ДНК некоторых хвойных видов растений Пермского края // Синтез знаний в естественных науках. Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование: Материалы междунар. конф. Пермь: Перм. гос. нац. иссл. ун-т, 2011. С. 278–282.
Нечаева Ю. С. Боронникова С. В., Юсупов Р. Р., Хайнце Б. Изучение полиморфизма ISSR-маркеров в природных и искусственных популяциях лиственницы // Фундаментальные исследования, 2013. № 6, Ч. 6. C. 1426–1431.
Nei M. 1972. Genetic distance between populations. Amer. Naturalist 106: 283–292.
Nei M. 1987. Molecular evolutionary genetics. New York: Columbia University Press. 512 pp.
Nei M., Chesser R. K. 1975. Estimation of fixation indexes and gene diversities. Annals of Human Genetics 47: 253–259.
Nei M., Li W.-H. 1979. Mathematical model for studying genetic variation in terms restriction endonucleases. Proceedings the National Academy Sciences. USA 76: 5269–5273.
Орешкова Н. В., Белоконь М. М. Генетическая дифференциация популяций лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) по микросателлитным локусам // Вестник КрасГАУ. 2012. № 2. С. 111–116.
Орешкова Н. В., Белоконь М. М., Жамъянсурен С. Генетическое разнообразие, популяционная структура и дифференциация лиственниц сибирской, Гмелина и Каяндера по данным SSR-маркеров // Генетика, 2013. Т. 49, № 2. С. 20 –213. DOI: 10.7868/S0016675812120090
Orloci L. 1978. Multivariate analysis in vegetation research. Dordrecht: Springer. 455 pp.
Peakall R., Smouse P. E. 2006. GenAlEx6: Genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research. Mol. Ecol. Not. 6: 288–295. DOI: 10.1111/j.1471-8286.2005.01155.x
Полежаева М. А., Семериков В. Л. Генетическая изменчивость cpSSR-маркеров в роде Larix на Дальнем Востоке // Вестник СВНЦ ДВО РАН, 2009. № 2. С. 75–83.
Путенихин, В. П. Лиственница Сукачева на Урале. Изменчивость и популяционно-генетическая структура. М.: Наука, 2004. 276 с.
Putenikhin V. P., Martinsson O. 1995. Present distribution of Larix sukaczewii Dyl. in Russia. Umea: Swed. Univ. Agr. Sci. Dep. Silvi. 78 pp.
Rogers S. O., Bendich A. J. 1985. Extraction of DNA from milligram amounts of fresh, herbarium and mummified plant tissues. Plant Molecular Biology 1(19): 69–76.
Шигапов З. Х., Шигапова А. И., Уразбахтина К. А. Генетическая изменчивость и популяционная структура лиственницы Сукачева на Урале // Вестник ОГУ, 2009. № 6. С. 438–440.
Шварц С. С. Экологические закономерности эволюции. М., 1980. 278 с.
Simak M. 1979. Larix sukaczewii – Naturlig utbredning, biologi, ekologi och fröanskaffningsproblem. Umea: Swed. Univ. Agr. Sci. Dep. Silvi. 76 pp.
Smulders M. J. M., Cottrell J. E., Lefèvre F., van der Schoot J., Arens P. 2008. Structure of the genetic diversity in black poplar (Populus nigra L.) populations across European river systems: Consequences for conservation and restoration. Forest Ecology and Management 255(5): 1388–1399.
Svetlakova T. N., Boronnikova S. V., Yanbaev Yu. A. 2014. Genetic diversity and differentiation in Ural populations of the aspen, Populus tremula L., as revealed by inter-simply sequence repeat (ISSR) markers. Silvae Genetica 63(1–2): 39–41. DOI: 10.1515/sg-2014-0006
Терентьева Э. П., Удовенко Н. К., Павлова Е. А. Химия древесины, целлюлозы и синтетических полимеров: учебное пособие. Ч. 2. СПб.: СПбГТУРП, 2015. 83 с.
Ветчинникова Л. В., Титов А. Ф., Кузнецова Т. Ю. Карельская береза: биологические особенности, динамика ресурсов и воспроизводство. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2013. 312 с.
Wang Q., Wang M., Hao J. 2012. Genetic variation in natural populations of Prince Rupprecht’s larch (Larix principis-rupprechtii) with elevation in the Guandi Mountain. In: International Conference on Biomedical Engineering and Biotechnology. China: IEEE. Pp. 321–324. DOI: 10.1109/iCBEB.2012.234
Williams J. G. K., Kubelik A. R., Livak K. J., Rafalski J. A., Tingey S. V. 1990. DNA polymorphisms amplified by arbitrary primers are useful as genetic markers. Nucl. Acids Res. 18: 6531–6535.
Yeh F. C., Young R. C., Mao J. 1999. POPGENE, the Microsoft Windows-based user-friendly software for population genetic analysis of co-dominant and dominant markers and quantitative traits. Edmonton: University of Alberta. 238 pp.
Zhang L., Zhang H. G., Li X. F. 2013. Analysis of genetic diversity in Larix gmelinii (Pinaceae) with RAPD and ISSR markers. Genet. Mol. Res. 12(1): 196–207. DOI: 10.4238/2013.January.24.12
Животовский Л. А. Популяционная биометрия. М.: Наука, 1991. 271 с.
Published
2020-10-01
How to Cite
Vasilyeva Y. S., Sboeva Y. V., Boronnikova S. V., Chertov N. V., Beltyukova N. N. Genetic diversity, genetic structure and differentiation of Siberian larch populations in the Urals // Turczaninowia, 2020. Vol. 23, № 3. P. 67-82 DOI: 10.14258/turczaninowia.23.3.7. URL: http://turczaninowia.asu.ru/article/view/8554.
Section
Science articles
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).
