Генетический анализ лесных популяций

Генетический анализ лесных древесных пород по потомству затруднен, так как требует значительного времени для смены поколений. Кроме того, большинство методов генетического анализа разработано на признаках, которых у древесных видов пока выявлено не так уж много: монотерпены у сосен (Hanorer,1965; Чудный, 1976; Wilkinson et all, 1977), пероксидазы у ели (Кавац, Роне, 1975). Структурный ген имеет определенную нуклеотидную последовательность, которая отражается в аминокислотном составе детерминирующего им белка (фермента). Ферменты занимают основное положение в метаболизме веществ в клетке. У ели таким ферментом являются изоферменты эстераз (изоэнзимы). С помощью электрофореза получают спектр изоферментов, которые имеют различную величину полос и по их сходству и различию изучают генотипический состав популяций.

Впервые исследовал гибрид и родителей при скрещивании ели европейской Бертельс (1971). Родители отличались по характеру эстераз, а потомство имело гибридную комбинацию эстераз. П. Ферет (1971) установил корреляцию изоэнзимов сеянцев с изоэнзимами родителей при анализе потомства от самоопыления и контролируемого опыления.

Семена хвойных древесных пород - удобные объекты для генетических исследований изоферментов. Оболочка семени формируется из диплоидной ткани материнского растения, зародыш - из диплоидной ткани, включающей гомологичные хромосомы отца и матери. Эндосперм - из гаплоидной ткани материнского организма. Таким образом, анализируя одновременно хвою дерева и эндосперм его семян, можно обнаружить спектр ферментов не только диплоидной ткани, но и каждого из двух составляющих его гаплоидных наборов в отдельности. Наличие двух типов спектров у гаметофитов одного и того же дерева позволяет сделать заключение о гетерозиготности дерева по этому признаку, а обнаружение только одного типа - о его гомозиготности.

Показатель частоты локусов изоэнзимов пероксидазы был использован В. М. Роне (1980) в качестве критерия генетического родства в пределах популяции ели обыкновенной.

Разными исследователями были проведены изучения монотерпенов сосны обыкновенной. А. В. Чудным было установлено, что синтез имеющихся в терпенных маслах b - пинена и D³- карена контролируется единичными генами. Наличие большого количества D³ - карена и b - пинена или их малое содержание обусловлено у каждой особи одной парой аллелей. Обозначим доминантный аллель по D³ - карену знаком С, рецессивный - с, по b - пинену, соответственно В и b. Тогда особи, получившие от отца и матери доминантные гаметы СВ, будут синтезировать большие количества D³- карена и b - пинена, особи с рецессивными аллелями будут продуцировать терпентинное масло с низким содержанием D³- карена и b - пинена. Генотипы ССВВ и СсВ b дают фенотипы с высоким содержанием D³- карена и b - пинена, сс bb - низкое содержание этих компонентов.

Эмпирическим путем были установлены границы между доминантными гомозиготами СС и ВВ и гетерозиготами Сс и В b, что было подтверждено и анализом потомства при скрещивании. При этом по соотношению a- пинена, b - пинена и D³- карена было выделено 4 типа биосинтеза монотерпенов, каждому из которых соответствуют определенные генотипы.

А. В. Чудный (1985) полагал, что по анализу терпенных масел можно определить генетический состав популяции сосны и, если, она отвечает определенным требованиям, создать искусственное насаждение, которое будет таким же, как модельное. Например, он рассчитал оптимальный состав генотипов сосны обыкновенной для лесосеменных плантаций (Псковская область). Им были определены генотипы местной сосны в спелом насаждении и молодняках и даны рекомендации по доле участия их в семенных плантациях (табл. 15.5).

Относительная выживаемость в табл. 15.5 определялась делением частоты генотипов спелых насаждений на частоту молодняка. Степень адаптации – в долях от наиболее приспособленного генотипа, степень адаптации которого принималась за единицу.

 

 

Таблица 15.5

Генотипический состав существующих насаждений сосны обыкновенной и рекомендуемый в семенных плантациях Псковской области

(по А. В. Чудному, 1985)

 

Генотипы	Частота		Относительная выживаемость	Степень адаптации	Доля участия генотипа на плантации,%
	Молодняк,%	Спелое насаждение, %
bbcc	33,2	40,0	1,2	0,81	22,5
bbCc	17,6	26,0	1,48	1,0	27,6
bbCC	43,2	28,0	0,67	0,45	12,5
BBcc	4,0	4,0	1,0	0,67	18,7
BbCc	2,0	2,0	1,0	0,67	18,7
				å 3,6	100%

 

Общий адаптационный коэффициент 3,6 - это 100%, а доля участия, например 1-го рассчитывалась по пропорции:

 

3,6 - 100

0,81 - х

х = 0,81 × 100 / 3,6 = 81 / 3,6 = 22,5.

 

То есть, чтобы воссоздать популяции сосны обыкновенной Псковской области нужно создать лесосеменные плантации, доля участия генотипов на которых должна составлять соответствующий процент. Тогда семена, собранные на этих лесосеменных плантациях воссоздадут исходную популяцию.

Необходимо отметить, что большинство признаков, с которыми работают лесные селекционеры, относятся к количественным (высоты, диаметры, приросты и др.). Они чаще полигенны и выход на ген-признак затруднен. Н. В. Тимофеев - Ресовский (1966) предложил использовать в таком случае термин «фен». В 1976 году решением Первого Всесоюзного совещания по фенетике популяций термин «фен» и «фенетика» были закреплены официально.

Фенетика - это распространение генетических подходов и принципов на формы, собственно генетическое изучение которых затруднено или невозможно. Предметом фенетики является внутривидовая «изменчивость», доводимая в конечном итоге до рассмотрения дискретных альтернативных признаков - фенов.

Методами фенетики являются выделение в изменчивости изучаемых форм различных фенов, количественное и качественное изучение фенов в популяциях и других группах особей. Целью фенетики является разработка процессов микроэволюции, теоретической систематики, практической биотехники и других проблем, связанных с популяционным исследованием видов в природе (Н. В. Тимофеев - Ресовский, А. В. Яблоков, Н. В. Глотов, 1973).

Фен представляет собой дискретный, альтернативный простой признак, отражающий особенности данного генотипа. Элементарность признака не обязательно сопровождается моногенностью и может быть результатом взаимодействия нескольких генов. Кроме того, неделимый фен может представлять собой коррелятивно сцепленную группу признаков.

Большинство работ по лесной селекции проведены на уровне фенов, то есть изучено формовое разнообразие вида по количественным и качественным признакам (А. С. Яблоков, 1952; Э. Ромедер, Г. Шенбах, 1962; П. И. Молотков, И. Н. Патлай и др., 1982). Однако чаще эти работы носили описательный характер (цвет коры, стробил, листьев, характер ветвления и пр.), так как выделение фена и подбор генетической модели для лесных популяций произвести довольно сложно. Следует отметить, что все популяционные модели базируются на законе Харди-Вайнберга, постулирующим равновесие генных концентраций в панмиктической популяции (Ч. Ли, 1978; Левонтин, 1978; Айала, 1984). Однако в популяциях могут происходить мутации, миграции, случайный дрейф генов, изоляция, нарушающие генетическое равновесие. Эти явления будут рассмотрены в следующей главе.

 

 

Вопросы для самопроверки

1. Что такое популяция? Ее отличие от отдельной особи и от вида в целом.

2. Предмет изучения генетики популяций. Отличие генетики популяций от посемейного анализа.

3. Классическая и балансовая гипотезы генетической структуры природных популяций. Их существо и отличие. Какая из них более точно описывает генетическую структуру популяций?

4. Что такое частота генотипов и частота генов? Формулы для определения частоты доминантного и рецессивного генов одного локуса в популяции.

5. Приведите пример определения частоты генов по фактической численности особей в популяции.

6. В чем заключается сущность закона Харди-Вайнберга? Как можно доказать верность его положений? Покажите это на примере всех типов скрещивания в популяции и только на варианте гетерозиготных скрещиваний.

7. Через сколько поколений установится новое равновесие в неравновесной популяции при случайном скрещивании? Докажите.

8. При каких условиях выполняется закон Харди-Вайнберга?

9. Как можно определить частоту рецессивного аллеля и частоты гомозигот и гетерозигот? Покажите на примере альбиносов.

10. Как определить частоту гетерозигот среди нормальных особей? Покажите это, используя предыдущий пример.

11. Как определить соответствие наблюдаемых частот генотипов соотношению генотипов Харди- Вайнберга?

12. Как можно установить гомозиготность или гетерозиготность дерева по изоэнзимам?

13. Как можно рассчитать оптимальный по соотношению терпенов генотипический состав насаждений сосны обыкновенной?

14. Что такое фен и фенетика? Для каких целей можно использовать фенетические подходы?-

 

Глава 16.