Population genetic analysis of Fagus orientalis with biogeographical notes
UDC 582.632.2+574.9+575.174.015.3
Abstract
The genetic structure of 39 populations of oriental beech (Fagus orientalis) from the territory of Crimea, the Caucasus, Asia Minor, and Alborz was studied based on the polymorphism of microsatellite, or single sequence repeats (SSR). Tests for isolation by distance (IBD) conducted in the GenePop program showed a high correlation of genetic differences and the logarithm of the geographic distance in units of geographic coordinates at the level of 0.91. Interpopulation genetic differentiation of Fagus orientalis (Fst) ranged from 0.01 to 0.67. The putative relationship of the species populations by the area is presented. A possible prochoresis of the ancestors of F. orientalis is reconstructed; probable paths of the formation of the modern area of the species are considered, including the effects of glaciation and volcanism in the Caucasus. Along with refugial populations, examples of Holocene recolonization of the highlands of the Greater Caucasus are given. The observed similarity at the upper boundary of the beech belt in different regions of the Caucasian Isthmus indicates parallelism in the development and establishment of high-mountain populations of the species, or repeated colonizations.
Downloads
References
Алиев Х. У. Новые виды сосудистых растений для флоры Дагестана // Бот. журн., 2019. Т. 104, № 10. С. 135–138. https://doi.org/10.1134/S0006813619100028
Aliev Kh. U. 2021. The importance of beech forests in the preservation of valuable species of the flora of Dagestan. In: VIII All-Russian Conference with International Participation “Mountain ecosystems and their components”, dedicated to the Year of Science and Technology in the Russian Federation. BIO Web Conf. 35: 00003. https://doi.org/10.1051/bioconf/20213500003
Алиев Х. У., Колтунова А. М., Куцев М. Г., Туниев Б. С. Популяционно-генетический анализ бука восточного (Fagus orientalis Lipsky) с территории Крыма и Кавказа // Turczaninowia, 2020. Т. 23, № 4. С. 17–31. https://doi.org/10.14258/turczaninowia.23.4.3
Алиев Х. У., Туниев Б. С., Агасян А. Л. Геоботаническая характеристика и структура реликтового букняка в Шикахохском заповеднике (Южная Армения) // Takhtajania, 2018. Вып. 4. С. 31–36.
Арушанян Р. И. Реликты Нагорного Карабаха и новые местонахождения их // Бот. журн., 1973. Т. 58, № 5. С. 700–706.
Assyov B., Petrova A., Dimitrov D., Vassilev R. 2012. Conspectus of the Bulgarian vascular flora. Sofia. 489 pp.
Баранов В. И. О чём говорят песчаники Камышина и пески Ергеней. Сталинград: Обл. книгоизд-во, 1952. 48 с.
Bijarpasi M. M., Müller M., Gailing O. 2020. Genetic diversity and structure of Oriental and European beech populations from Iran and Europe. Silvae Genetica 69: 55–62.
Davis P. H. 1982. Fagus orientalis L. In: P. H. Davis Flora of Turkey. Vol. 7. Edinburgh: University Press. Pp. 657–658.
Denk Th., Frotzier N., Davitashvili N. 2001. Vegetational patterns and distribution of relict taxa in humid temperate forests and wetlands of Georgia (Transcaucasia). Biol. J. Linn. Soc. 72: 287–332. https://doi.org/10.1006/bijl.2000.0502
Denk Th., Grimm G., Hemleben V. 2005. Patterns of molecular and morphological differentiation in Fagus (Fagaceae): phylogenetic implications. Am. J. Bot. 92(6):1006–1016.
Denk Th., Grimm G., Stögerer K. K., Langer M., Hemleben V. 2002. The evolutionary history of Fagus in western Eurasia: Evidence from genes, morphology and the fossil record. Plant Syst. Evol. 232: 213–236.
Earl D. A., von Holdt B. M. 2012. Structure harvester: a website and program for visualizing STRUCTURE output and implementing the Evanno method. Conserv. Genet. Res. 4: 359–361. https://doi.org/10.1007/s12686-011-9548-7
Габриелян Г. К. Вулканизм и сейсмические явления // Физическая география Закавказья. Ереван: изд-во Ереванского ун-та, 1986. С. 36–41.
Гаджиев Ф. А. Эльбурская область. Гирканская провинция // Физическая география Закавказья. Ереван: изд-во Ереванского ун-та, 1986. С. 295–297.
Гаджиев В. Д., Алекперов А. М., Эфендиев М. Р., Мустафаева Р. К. Закатальский заповедник. М.: Агропромиздат, 1985. 184 с.
Gobejishvili R. 2004. Late Pleistocene (Würmian) glaciation of the Caucasus. In: Quaternary Glaciations – Extent and Chronology. Amsterdam: Elsevier. Pp. 129–134.
Гроссгейм А. А. Анализ флоры Кавказа // Tр. ботан. ин-та Азерб. фил. АН СССР, 1936. № 1. С. 1–257).
Гвоздецкий Н. А. Кавказ. Очерк природы. М.: Географгиз, 1963. 264 с.
Jahdi R., Nejad A. S., Behjou F. K. 2023. Assessing the state of forest health in Oriental beech (Fagus orientalis L.) dominated forests in Iran. Annals of Silvicultural Research 48(2): 60–72.
Kara D., Orhan E. 2023. Tolerance evaluation and genetic relationship analysis among some economically important chestnut cultivars in Türkiye using drought-associated SSR and EST-SSR markers. Sci. Rep. 13: 20950. https://doi.org/10.1038/s41598-023- 47951-7
Колаковский А. А. Некоторые данные по палеогеографии Кавказа в связи с формированием его флоры // Труды Сухумского бот. сада, 1974. Вып. 20. С. 115–131.
Колаковский А. А. Вертикальная поясность лесной растительности Колхиды в третичное время // Труды Тбилис. ин-та леса, 1974. Т. 21. С. 98–115.
Колаковский А. А. Fagus orientalis Lipsky. // А. А. Колаковский Флора Абхазии (в 4-х т.). Т. 2. Тбилиси: Мецниереба, 1982. С. 202–204.
Криштофович А. Н. Происхождение ксерофитных растительных формаций в свете палеоботаники // Пустыни СССР и их освоение. Т. 2. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1954. С. 583–596.
Кузнецов Н. И. Принципы деления Кавказа на ботанико-географические провинции (Доложено в заседании Физико-Математического Отделения 23 января 1908 г.) // Записки Императорской Академии наук по физико-математическому отделению. Т. 24, № 1. СПб.: Тип. Имп. Акад. наук, 1909. 174 с.
Кузнецов Н. И. Нагорный Дагестан и значение его в истории развития флоры Кавказа: Доложено в соедин. заседании Отд. географии, мат. и географии физической И.Р.Г.О. 26 окт. 1910 г. СПб.: тип-я М. М. Стасюлевича, 1910. 48 с.
Львов П. Л. Региональные особенности буковых лесов Дагестана // Сборник научных сообщений Дагестанского отделения ВБО, 1970. Вып. 2. С. 3–12.
Львов П. Л. К распространению буковых лесов в Дагестане // Бот. журн., 1970. Т. 55, № 9. С. 1243–1246.
Mantel N. 1967. The detection of disease clustering and a generalized regression approach. Cancer Res. 27: 209–220.
Margi D., Vendramin G. G., Comps B., Dupanloup I., Geburek Th., Gömöry D., Latalowa M., Litt Th., Paule L., Roure J. M., Tantau I., Knaap W. O., Petit R. J., Beaulieu J.-L. 2006. A new scenario for the Quaternary history of European beech populations: palaeobotanical evidence and genetic consequences. New Phytologist, 171(1): 199 221. https://doi.org/10.1111/J.1469-8137.2006.01740.X
Марков К. К., Лазуков Г. И., Николаев В. А. Четвертичный период (ледниковый период – антропогеновый период). Т. 1. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1965. 371 с.
Маруашвили Л. И. Целесообразность пересмотра существующих представлений о палеогеографических условиях ледникового времени на Кавказе. Тбилиси: Мецниереба, 1956. 126 c.
Меницкий Ю. Л. Дубы Азии. Л.: Наука, 1984. 284 с.
Меницкий Ю. Л. Fagus L. // Конспект флоры Кавказа: в 3-х томах. Т. 3, ч. 2. СПб.–М.: Тов-во науч. изд. КМК, 2012. С. 286.
Metsalu T., Vilo J. 2015. ClustVis: A web tool for visualizing clustering of multivariate data using Principal Component Analysis and heatmap. Nucleic Acids Res. 43: 566–570. https://doi.org/10.1093/nar/gkv468
Müller M., Lopez P. A., Papageorgiou A. C., Tsiripidis I., Gailing O. 2019. Indications of Genetic Admixture in the Transition Zone between Fagus sylvatica L. and Fagus sylvatica ssp. orientalis Greut. & Burd. Diversity 11( 90): 1–11. https://doi.org/10.3390/d110600090
Муртазалиев Р. А. Анализ флоры Дагестана // Ботанический вестник Северного Кавказа, 2023. № 1. С. 38–64.
Мусеибов М. А. История развития рельефа // Физическая география Закавказья. Ереван: изд-во Ереванского ун-та, 1986. С. 50–54.
Мусеибов М. А. Древнее и современное оледенение // Физическая география Закавказья. Ереван: изд-во Ереванского ун-та, 1986. С. 101–104.
Nasiri M., Yousefzadeh H., Shirvany A., Etemad V., Espahbodi K., Amirchakhmaghi N., Rajora O. P. 2023. Effects of fifty years of shelterwood harvesting on genetic diversity and population structure of Oriental beech (Fagus orientalis L.) in the relict Hyrcanian forest. For. Ecol. Manag. 529: 120623. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2022.120623
Палибин И. В. Этапы развития флоры Прикаспийских стран со времени мелового периода // Сов. ботаника, 1935. № 3. С. 10–50.
Pastorelli R., Smulders M. J. M., Van't Westende W. P. C., Vorman B., Giannini R., Vettori C., Vendramin G. G. 2003. Characterization of microsatellite markers in Fagus sylvatica L. and Fagus orientalis Lipsky. Mol. Ecol. Notes. 3: 76–78.
Raymond M., Rousset F. 1995. GENEPOP (version 1.2): population genetics software for exact tests and ecumenicism. J. Heredity 86: 248–249.
Rousset F. 2008. Genepop’007: a complete reimplementation of the Genepop software for Windows and Linux. Mol. Ecol. Resour. 8: 103–106.
Pritchard J. K., Stephens M., Donnelly P. 2000. Inference of population structure using multilocus genotype data. Genetics 155(2): 945–959.
Sagheb-Talebi Kh., Schütz J.-Ph. 2002. The structure of natural oriental beech (Fagus orientalis) forests in the Caspian region of Iran and potential for the application of the group selection system Forestry. An International Journal of Forest Research 75(4): 465–472.
Сафаров И. В. Дзельква, её биолого-экологические особенности и хозяйственное значение // Известия АН Азербайджанской ССР. Серия биол. и мед. наук, 1966. Вып. 1. С. 18 24.
Semerikova S. A., Aliev Kh. U., Semerikov N. V., Semerikov V. L. 2023. Phylogeography of Oak Species in the Caucasus Based on Results of Chloroplast DNA Analysis. Russ. J. Genet. 59(7): 669–684.
Шхагапсоев С. Х. Петрофильный флористический комплекс Кабардино-Балкарии: состав, структура, экология. Нальчик: изд-во М. и В. Котляровых, 2024. 254 с.
Соколов С. Я., Связева О. А., Кубли В. А. Сем. Facaceae Dum. - Буковые // Ареалы деревьев и кустарников СССР. Т. 1. Л.: Наука, 1977. С. 112–125.
Sullivan A. R., Lind J. F., McCleary T. S., Romero-Severson J., Gailing O. 2013. Development and characterization of genomic and gene-based microsatellite markers in North American red oak species. Plant Molecular Biology Reporter 31: 231–239.
Тахтаджян А. Л. К истории развития растительности Армении // Труды Ботанического института АН Арм. ССР, 1946. Т .4. С. 51–107.
Тахтаджян A. Л. К вопросу о происхождении умеренной флоры Евразии // Бот. журн., 1957. Т. 42, № 11. С. 1635–1653.
Тахтаджян А. Л. 1978. Флористические области Земли. Л.: Наука. 219 с.
Тимухин И. Н., Туниев Б. С. Плейстоценовые рефугиумы высокогорной флоры в предгорьях Северной Колхиды (Краснодарский край, Сочи) // Ботаника в современном мире. Труды XIV Съезда Русского ботанического общества и конференции «Ботаника в современном мире» (г. Махачкала, 18-23 июня 2018 г.). Т. 1: Систематика высших растений. Флористика и география растений. Охрана растительного мира. Палеоботаника. Ботаническое образование. Махачкала: АЛЕФ, 2018. С. 201 203.
Тумаджанов И. И. Бук и буковые леса в Нагорном Дагестане // Труды Тбилисского ботанического института, 1940. Т. 7. С. 57–83.
Тумаджанов И. И. История лесов Северного Кавказа // Вопросы голоцена: Сборник статей к VI Междунар. конгрессу ИНКВА в Варшаве. Ред. М. И. Нейщтадт, В. К. Гуделис. Вильнюс, 1961. С. 249–266.
Тумаджанов И. И. Ботанико-географические особенности Высокогорного Дагестана в связи с палеогеографией плейстоцена и голоцена // Бот. журн., 1971. Т. 56, № 9. С. 1239–1251.
Tuniyev B. S. 1990. On the Independence of the Colchis Center of Amphibian and Reptile Speciation. Asiatic Herpetological Research 3: 67–84.
Tuniyev B. S. 1997. About exact borders of the Colchis biogeographical province. Russian Journal of Herpetology 4(2): 182–185.
Tuniyev B. S., Orlov N. L., Ananjeva N. B., Agasyan A. L. 2019. Snakes of the Caucasus: taxonomic diversity, distribution, conservation. St. Petersburg; Moscow: KMK Scientific Press. 276 pp.
Верещагин Н. К. Млекопитающие Кавказа. М.–Л.: изд-во АН СССР, 1959. 703 с.
Вульф Е. В. Историческая география растений. История флор земного шара. М.–Л.: изд-во АН СССР, 1944. 545 с.
Weir B. S., Cockerham C. C. 1984. Estimating F-Statistics for the Analysis of Population-Structure. Evolution 38: 1358–1370.
Wortemann R., Herbette S. T. S., Fumanal B., Alia R., Ducousso A., Gomory D., Roeckel-Drevet P., Cochard H. 2011. Genotypic variability and phenotypic plasticity of cavitation resistance in Fagus sylvatica L. across Europe. Tree Physiology 31: 1175–1182. https://doi.org/10.1093/treephys/tpr101
Зернов А. С. Иллюстрированная флора юга Российского Причерноморья. М.: Тов-во науч. изд. КМК, 2013. 588 c.
Зернов А. С., Аджиев Р. К., Филин А. Н., Дополнения к флоре Карачаево-Черкесской республики. Сообщение 5 // Бюл. МОИП. Отд. биол., 2020 Т. 125, вып. 6. С. 48–50.
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).