Полиплоидия и гибридизация в роде Spiraea (Rosaceae): цитогенетические данные по гибриду Spiraea hypericifolia × S. media и его родительским видам в популяциях из Тувы

УДК 582.734.2:575.224.234.2+575.222.7(571.52)

  • Tатьяна Aлександровна Полякова Институт общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН https://orcid.org/0000-0002-8258-127X Email: polyakova@vigg.ru
  • Анна Валерьевна Шатохина Институт общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН https://orcid.org/0000-0003-1573-478X Email: shatokhina@mail.ru
  • Мария Григорьевна Фомичева Федеральный научный центр овощеводства, пос. ВНИИССОК https://orcid.org/0000-0002-0281-0467 Email: maria.fomicheva.1@yandex.ru
  • Дмитрий Владиславович Политов Институт общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН https://orcid.org/0000-0003-1569-5565 Email: dmitri_p@inbox.ru
Ключевые слова: аллополиплоидия, аутополиплоидия, гибриды, размер генома, Тува, число хромосом, Spiraea hypericifolia, Spiraea hypericifolia × Spiraea media, Spiraea media

Аннотация

Полиплоидия и гибридизация в роде Spiraea усложняют идентификацию видов. Приводятся цитогенетические характеристики гибридных особей Spiraea hypericifolia × S. media, а также его родительских видов – S. hypericifolia L. и S. media Fr. Schmidt. Представлены новые местонахождения гибрида S. hypericifolia × S. media в Республике Тыва. Это первое исследование по изучению относительного содержания ДНК у особей S. hypericifolia × S. media. Цитогенетический анализ выявил значительную вариабельность как общего размера генома, так и уровня плоидности и числа хромосом у Spiraea из трёх смешанных тувинских популяций. Результаты цитотипирования путём подсчёта хромосом и определения размера генома методом проточной цитометрии согласуются между собой. У S. hypericifolia обнаружен только диплоидный уровень (2n = 2x = 18). У S. media выявлено три эуплоидных уровня: диплоидный (2n = 2x = 18), триплоидный (2n = 3x = 27), тетраплоидный (2n = 4x = 36), а также анеуплоидный (2n = 24). Кроме того, у S. media изредка наблюдается миксоплоидия. Среди гибридных особей S. hypericifolia × S. media были выявлены предположительно аллодиплоиды (Целинное) и аллотетраплоиды (Туран, Тапса). Предложены гипотезы возникновения автотетраплоидов среди S. media и аллодиплоидных и аллотетраплоидных гибридов S. hypericifolia × S. media. Наиболее вероятным механизмом происхождения полиплоидных и гибридных особей Spiraea является нарушение мейоза с образованием 2n гамет и/или соматический эндомитоз. Полученные нами результаты способствуют пониманию микроэволюционных процессов в роде Spiraea. Гибрид S. hypericifolia × S. media имеет значительный потенциал для использования в ландшафтном дизайне и селекции, поэтому требует всестороннего изучения.

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Литература

Abbott R., Albach D., Ansell S., Arntzen J. W., Baird S. J. E., Bierne N., et al. 2013. Hybridization and speciation. J. Evol. Biol. 26: 229–246.
Alix K., Gérard P. R., Schwarzacher T., Heslop-Harrison J. S. 2017. Polyploidy and interspecific hybridization: partners for adaptation, speciation and evolution in plants. Ann. Bot. 120(2): 183–194. https://doi.org/10.1111/j.1420-9101.2012.02599.x
Attila Molnár V., Löki V., Máté A., Molnár A., Takács A., Nagy T., Lovas-Kiss A., Lukács B. A., Sramkó G., Tökölyi J. 2017. The occurrence of Spiraea crenata and other rare steppe plants in Pannonian graveyards. Biologia 72(5): 500–509. https://doi.org/10.1515/biolog-2017-0060
Bartolić P., Voltrová A., Macková L., Šrámková G., Šlenker M., Mandáková T., Garcia N. P., Marhold K., Kolař F. 2024. Overcoming ploidy barriers: the role of triploid bridges in the genetic introgression of Cardamine amara. BioRxiv: 10. https://doi.org/10.1101/2024.10.08.617200
Bennett M. D., Leitch I. J. 2005. Genome size evolution in plants. In: T. R. Gregory (ed.). The Evolution of the Genome. Chapter 2. Elsevier Inc. P. 89.
Bennett M. D., Leitch I. J. 2011. Nuclear DNA amounts in angiosperms: targets, trends and tomorrow. Ann. Bot. 107(3): 467–590. https://doi.org/10.1093/aob/mcq258
Bourge M., Brown S. C., Siljak-Yakovlev S. 2018. Flow cytometry as tool in plant sciences, with emphasis on genome size and ploidy level assessment. Genetics and Applications 2, 2: 1–12. https://doi.org/10.31383/ga.vol2iss2ppl-12
Byung-Yun S., Kim T. J., Kim C. H. 1997. A biosystematic study on polyploid populations of the genus Spiraea (Rosaceae) in Korea. J. Plant Biol. 40: 291-297. https://doi.org/10.1007/BF03030463
Choi H. J., Eom H. S., Choi M. J., Yang S., Lee J. H. 2019. Taxonomic review of Spiraea chartacea compared with its related species of section Chamaedryon in Korea. J. Asia-Pacific Biodivers. 12(4): 631–642. https://doi.org/10.1016/j.japb.2019.08.008
Clo J., Padilla-García N., Kolář F. 2022. Polyploidization as an opportunistic mutation: The role of unreduced gametes formation and genetic drift in polyploid establishment. J. Evol. Biol. 35(8): 1099–1109. https://doi.org/10.1111/jeb.14055
De Storme N., Mason A. 2014. Plant speciation through chromosome instability and ploidy change: cellular mechanisms, molecular factors and evolutionary relevance. Curr. Plant Biol. 1: 10–33. https://doi.org/10.1016/j.cpb.2014.09.002
De Vore M. L., Pigg K. B. 2007. A brief review of the fossil history of the family Rosaceae with a focus on the Eocene Okanogan Highlands of eastern Washington State, USA, and British Columbia, Canada. Plant Syst. Evol. 266: 45–57. https://doi.org/10.1007/s00606-007-0540-3
Dickinson T. A., Lo E., Talent N. 2007. Polyploidy, reproductive biology, and Rosaceae: understanding evolution and making classifications. Plant Syst. Evol. 266: 59–78. https://doi.org/10.1007/s00606-007-0541-2
Dickson E. E., Arumuganathan K., Kresovich S., Doyle J. J. 1992. Nuclear DNA content variation within the Rosaceae. Am. J. Bot. 79: 1081–1086. https://doi.org/10.1002/j.1537-2197.1992.tb13697.x
Doležel J., Bartoš J. 2005. Plant DNA flow cytometry and estimation of nuclear genome size. Ann. Bot. 95: 99–110. https://doi.org/10.1093/aob/mci005
Doležel J., Bartoš J., Voglmayr H., Greilhuber J. 2003. Nuclear DNA content and genome size of trout and human. Cytometry A 51: 127–128. https://doi.org/10.1002/cyto.a.10013
Doyle J. J., Coate J. E. 2019. Polyploidy, the nucleotype, and novelty: the impact of genome doubling on the biology of the cell. Int. J. Plant Sci. 180(1): 1–52. https://doi.org/10.1086/700636
Evans R. C., Dickinson T. A. 1999. Floral ontogeny and morphology in subfamily Spiraeoideae Endl. (Rosaceae). Int. J. Plant Sci. 160: 981–1012. https://doi.org/10.1086/314176
FLOWer [2026]. FLOWer, a plant DNA flow cytometry database. URL: https://botany.natur.cuni.cz/flower/ (Accessed 01 April 2026).
Fomicheva M., Domblides E. 2023. Mastering DNA content estimation by flow cytometry as an efficient tool for plant breeding and biodiversity research. Methods Protoc. 6(1): 18. https://doi.org/10.3390/mps6010018
Galbraith D. W., Harkins K. R., Maddox J. M., Ayres N. M., Sharma D. P., Firoozabady E. 1983. Rapid flow cytometric analysis of the cell cycle in intact plant-tissues. Science 220: 1049–1051. https://doi.org/10.1126/science.220.4601.10
Govaerts R., Nic Lughadha E., Black N., Turner R., Paton A. 2021. The world checklist of vascular plants, a continuously updated resource for exploring global plant diversity. Sci. Data 8(1): 215. https://doi.org/10.1038/s41597-021-00997-6
Hess W. J., Stoynoff N. A. 1999. A new hybrid of Spiraea (Rosaceae) from Oregon. SIDA, Contributions to Botany 18(3): 827–830. https://www.jstor.org/stable/41968903
Kew Plant DNA C content database. [2026]. URL: https://data.kew.org/cvalues (Accessed 01 April 2026).
Kohler C., Scheid O. M., Erilova A. 2010. The impact of the triploid block on the origin and evolution of polyploid plants. Trends Genet. 26: 142–148. https://doi.org/10.1016/j.tig.2009.12.006
Kostikova V. A., Voronkova M. S., Banaev E. V., Poliakova T. A. 2018. The estimation of relative DNA content of the genus Spiraea L., section Calospira C. Koch. Bot. Pacifica 7: 93–96. https://doi.org/10.17581/bp.2018.07114
Kostikova V. A., Voronkova M. S., Mitrenina E. Yu., Kuznetsov A. A., Erst A. S., Veklich T. N., Shabanova (Kobozeva) E. V. 2019. Estimation of the relative DNA content in species of the genus Spiraea, sections Chamaedryon and Glomerati by flow cytometry. Ukr. J. Ecol. 9: 142–149. https://doi.org/10.15421/2019_74
Laczkó L., Jordán S., Póliska S., Rácz H. V., Nagy N. A., Molnár V. A., Sramkó G. 2024. The draft genome of Spiraea crenata L. (Rosaceae) – the first complete genome in tribe Spiraeeae. Sci. Data 11(1): 219. https://doi.org/10.1038/s41597-024-03046-0
Leitch I. J., Johnston E., Pellicer J., Hidalgo O., Bennett M. D. 2019. Angiosperm DNA C-values database. URL: https://cvalues.science.kew.org/ (Accessed 01 April 2026).
Loureiro J., Rodriguez E., Santos C., Doležel J., Suda J. 2008. FLOWer: A Plant DNA Flow Cytometry Database. URL: https://botany.natur.cuni.cz/flower/ (Accessed 01 April 2026).
Lynch M. 1991. The genetic interpretation of inbreeding depression and outbreeding depression. Evolution 45(3): 622–629.
Mallet J. 2007. Hybrid speciation. Nat. Rev. 446: 279–283. https://doi.org/10.1038/nature05706
Manzaneda A. J., Rey P. J., Bastida J. M., Weiss-Lehman C., Raskin, E. Mitchell-Olds T. 2012. Environmental aridity is associated with cytotype segregation and polyploidy occurrence in Brachypodium distachyon (Poaceae). New Phytol. 193(3): 797–805. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2011.03988.x
Meng R., Finn Ch. 2002. Determining ploidy level and nuclear DNA content in Rubus by flow cytometry. J. Amer. Soc. Hort. Sci. 127: 767–775.
Morgan D. R., Soltis D. E., Robertson K. R. 1994. Systematic and evolutionary implications of rbcL sequence variation in Rosaceae. Amer. J. Bot. 81: 890–903. https://doi.org/10.1002/j.1537-2197.1994.tb15570.x
Oginuma K., Tatarenko I. V., Kondo K. 2004. Karyomorphology of eight species of Spiraea (Rosaceae) in Russia. Chromosome Sci. 8(1): 23–28.
Ohno S. 1970. Evolution by gene duplication. Berlin; New York: Springer-Verlag. 184 pp.
Pelé A, Rousseau-Gueutin M., Chèvre A.-M. 2018. Speciation success of polyploid plants closely relates to the regulation of meiotic recombination. Front. Plant Sci. 9: 907. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00907
Plant Chromosome Number Index database) http://www.tropicos.org/Project/IPCN
Poliakova T. A. 2022. Adaptive strategies and genetic stability of species from the Spiraea genus (Rosaceae) in natural population systems. Biology Bulletin Reviews 12: S96–S107. https://doi.org/10.1134/S207908642207009X
Poliakova T. A., Shatokhina A. V. 2021. IAPT chromosome data 35/12. In: K. Marhold, J. Kučera (eds.). IAPT chromosome data 35/12. Taxon 70(6): 1402–1411, E35–E36. https://doi.org/10.1002/tax.12638
Poliakova T. A., Shatokhina A. V., Politov D. V. 2022. Molecular phylogeny of Russian species of the genus Spiraea (Rosaceae) according to the nucleotide variability of the ITS nuclear rDNA region. Russ. J. Genet. 58, 11: 1297–1305. https://doi.org/10.1134/S1022795422110084
Положий А. В. Spiraea L. – Спирея // Флора Сибири. T. 8. Новосибирск: «Наука». Сиб. изд. фирма РАН, 1988. С. 10–20.
Полякова Т. А., Муратова Е. Н. Кариологическое исследование некоторых видов рода Spiraea (Rosaceae) флоры Дальнего Востока и Восточной Сибири // Растительный мир Азиатской России, 2015. № 2. С. 23–26.
Potter D., Still S. M., Grebenc T., Ballian D, Božič G., Franjiæ J., Kraigher H. 2007. Phylogenetic relationships in tribe Spiraeeae (Rosaceae) inferred from nucleotide sequence data. Plant Syst. Evol. 266: 105–118. https://doi.org/10.1007/s00606-007-0544-z
POWO [2026]. Plants of the World Online. Kew: Facilitated by the Royal Botanic Gardens. URL: https://powo.science.kew.org/ (Accessed 09 January 2026).
Ramsey J., Schemske D. W. 1998. Pathways, mechanisms, and rates of polyploid formation in flowering plants. Annu. Rev. Ecol. Syst. 29(1): 467–501.
Ramsey J., Schemske D. W. 2002. Neopolyploidy in flowering plants, Annu. Rev. Ecol. Syst. 33: 589–639. https://doi.org/10.1146/annurev.ecolsys.33.010802.150437
Rieseberg L. H., Willis J. H. 2007. Plant speciation. Science 317(5840): 910–914. https://doi.org/10.1126/science.1137729
Sattler M. C., Carvalho C. R., Clarindo W. R. 2016. The polyploidy and its key role in plant breeding. Planta 243: 281–296. https://doi.org/10.1007/s00425-015-2450-x
Sax K. 1936. Polyploidy and geographic distribution in Spiraea. J. Arnold Arbor. 17(4): 352–356. https://www.jstor.org/stable/43780806
Schneider C. K. 1906. Illustriertes Handbuch der Laubholzkunde. Charakteristik der in Mitteleuropa heimischen und im Freien angepflanzten angiospermen Gehölz-Arten und Formen mit Ausschluß der Bambuseen und Kakteen. Jena: Verlag von Gustav Fischer. 453 pp. [In German]
Shatokhina A. V., Poliakova T. A., Bondarevich E. A. 2022. IAPT chromosome data 38/10. In: K. Marhold, J. Kučera (eds.). IAPT chromosome data 38. Taxon 71: 1353–1360, E13–E33. https://doi.org/10.1002/tax.12836
Shatokhina A. V., Poliakova T. A., Veklich T. N. 2024. IAPT chromosome data 44/6. In: K. Marhold, J. Kučera (eds.). IAPT chromosome data 44. Taxon 73(6): 1554–1555. https://doi.org/10.1002/tax.13283
Singhal V. K., Gill B. S., Sidhu M. S. 1990. Cytology of woody members of Rosaceae. In: Proceedings Indian Academy of Sciences. New Delhi: Springer India. 100(1): 17–21. https://doi.org/10.1007/BF03053464
Skaptsov M. V., Kutsev M. G., Smirnov S. V., Vaganov A. V., Uvarova O. V., Shmakov A. I. 2024. Standards in plant flow cytometry: an overview, polymorphism and linearity issues. Turczaninowia 27, 2: 86–104. https://doi.org/10.14258/turczaninowia.27.2.10
Sliwinska E. 2018. Flow cytometry – a modern method for exploring genome size and nuclear DNA synthesis in horticultural and medicinal plant species. Folia Hort. 30(1): 103–128. https://doi.org/10.2478/fhort-2018-0011
Sliwinska E., Loureiro J., Leitch I. J., Šmarda P., Bainard J., Bureš P., Chumová Z., Horová L., Koutecký P., Lučanová M., Trávníček P., Galbraith D. W. 2021. Application-based guidelines for best practices in plant flow cytometry. Cytometry A 101(9): 749–781. https://doi.org/10.1002/cyto.a.24499
Смирнов Ю. Ускоренный метод исследования соматических хромосом плодовых // Цитология, 1968. Т. 10. С. 1132–1134.
Soltis P. S., Soltis D. E. 2000. The role of genetic and genomic attributes in the success of polyploids. Proceedings of the National Academy of Sciences 97(13): 7051–7057. https://www.jstor.org/stable/122765
Sun B. Y., Kim T. J., Kim C. H. 1997. A biosystematic study on polyploid populations of the genus Spiraea (Rosaceae) in Korea. J. Plant Biol. 40: 291–297. https://doi.org/10.1007/BF03030463
Tamayo-Ordóñez M. C., Espinosa-Barrera L. A., Tamayo-Ordóñez Y. J., Ayil-Gutiérrez B., Sánchez-Teyer L. F. 2016. Advances and perspectives in the generation of polyploid plant species. Euphytica 209: 1–22. https://doi.org/10.1007/s10681-016-1646-x
Temsch E. M., Koutecký P., Urfus T., Šmarda P., Doležel J. 2022. Reference standards for flow cytometric estimation of absolute nuclear DNA content in plants. Cytometry Part A 101(9): 710–724. https://doi.org/10.1002/cyto.a.24495
Tossi V. E., Martínez Tosar L. J., Laino L. E., Iannicelli J., Regalado J. J., Escandón A. S., Baroli I., Causin H. F., Pitta-Álvarez S. I. 2022. Impact of polyploidy on plant tolerance to abiotic and biotic stresses. Front. Plant Sci. 13: 869423. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.869423
Vamosi J. C., Dickinson T. A. 2006. Polyploidy and diversification: a phylogenetic investigation in Rosaceae. Int. J. Plant Sci. 167(2): 349–358.
Van de Peer Y., Mizrachi E., Marchal K. 2017. The evolutionary significance of polyploidy. Nat. Rev. Genet. 18(7): 411–424. https://doi.org/10.1038/nrg.2017.26
Whitlock R., Stewart G. B., Goodman S. J., Piertney S. B., Butlin R. K., Pullin A. S., Burke T. 2013. A systematic review of phenotypic responses to between-population outbreeding. Environmental Evidence 2: 1–21. http://www.environmentalevidencejournal.org/content/2/1/13
Xiang Y., Huang C. H., Hu Y., Wen J., Li S., Yi T., Chen H., Xiang J., Ma H. 2017. Evolution of Rosaceae fruit types based on nuclear phylogeny in the context of geological times and genome duplication. Mol. Biol. Evol. 34(2): 262–281. https://doi.org/10.1093/molbev/msw242
Zabel H. 1884. Uebersicht der kultivirten strauchigen Spiraeen. Bd. 3. Berlin: Garten-Zeitung (Wittmack). 632 pp.
Zabel H. 1893. Die strauchigen Spiräen der deutschen Gärten. Berlin: Verlag von Paul Parey. 128 pp.
Zhang S. D., Yan K., Ling L. Z. 2023. Characterization and phylogenetic analyses of ten complete plastomes of Spiraea species. BMC Genomics 24(1): 137. https://doi.org/10.1186/s12864-023-09242-3
Опубликован
2026-04-14
Как цитировать
ПоляковаT. A., Шатохина А. В., Фомичева М. Г., Политов Д. В. Полиплоидия и гибридизация в роде Spiraea (Rosaceae): цитогенетические данные по гибриду Spiraea hypericifolia × S. media и его родительским видам в популяциях из Тувы // Turczaninowia, 2026. Т. 29, № 1. С. 145–160 DOI: 10.14258/turczaninowia.29.1.19. URL: https://turczaninowia.asu.ru/article/view/19244.
Раздел
Научные статьи