Изучение вопроса об изменчивости локуса Nad1 митохондриальной ДНК и определение происхождения насаждений ели европейской на территории Щелковского учебно-опытного лесхоза

Наиболее информативными областями у хвойных деревьев в митохондриальных генах считаются интроны 2 группы, которые кодируют субъединицы NADH-дегидрогеназы, особенно первый интрон гена Nad5 и второй интрон гена Nad1, представляющие особый интерес для происхождения таксонов хвойных пород [6, с. 717-727].

В митохондриальной ДНК второй интрон гена Nad1 является наиболее полиморфным [5, с. 377-385] и состоит из тандемных повторов, длина одного повтора варьируется от 32 до 34 нуклеотидов, а количество повторов может быть от 0 до 10. Кроме того, имеются еще 11 дополнительных полиморфных сайтов, фланкирующих тандемные повторы, 5 из которых могут влиять на размер фрагмента второго интрона гена Nad1 [1, с. 36-39].

В работе Н. Н. Рыжовой с соавторами [4, с. 45-53] описана изменчивость интронов митохондриального гена Nad1 у представителей рода Vicia. Ген Nad1 включает в себя 5 экзонов, разделенных последовательностью интронов или других генов. Интроны 2 группы делятся на три главных класса – IIA, IIB, IIC. Большинство интронов митохондриального генома относятся к IIA классу. Интроны класса IIB относятся к хлоропластному геному. Авторами была показана высокая консервативность 2 интрона Nad1.

В работе Е. К. Потокиной с соавторами [3, с. 818-830] также анализируется изменчивость митохондриального гена Nad1 с целью изучения эволюционного расселения видов елей на исследуемых территориях в 28 климатипах географических культур P. abies и P. obovata из разных регионов Европейской части России и бывшего СССР (Мурманская, Карелия, Ленинградская, Ленинградская, Псковская, Эстония, Могилевский, Закарпатье, Архангельская, Архангельская, Вологодская, Коми, Костромская, Кировская, Московская, Тверская, Калужская, Татарстан, Удмуртия, Башкирский, Пермский, Свердловская).

В ходе эксперимента на географических культурах ели европейской из 221 деревьев было выявлено 9 аллельных вариантов гена Nad1: 721, 755, 789, 815, 823, 857 пар нуклеотидов (п.н.). Среди всех географических культур ели самым часто встречающимся был аллель длиной 721 п.н.

Согласно исследованиям [3, с. 818-830], ель европейская на основе выявленного полиморфизма митохондриального гена Nad1 относится к двум гаплогруппам, связанным общим происхождением популяций. Так называемая гаплогруппа «Северная семья» ели европейской произрастает на территории стран Северной Европы, а также в Европейской части России. Аллель длиной 721 п.н. является самым распространенным для гаплогруппы «Северная семья» и является его характерным маркером. К гаплогруппе «Южная семья» относят представителей ели европейской, произрастающей в Закарпатье. Доминирующим аллелем в данной гаплогруппе является аллель длиной 815 п.н., характерный для данной «семьи». Остальные обнаруженные аллели митохондриального гена Nad1 не представляют собой какой-либо географической приуроченности, т. к. представлены значительно реже описанных выше.

В своем исследовании Е. А. Мудрик с соавторами [2, с. 1117-1125] изучали пространственное распределение гаплотипов 2 интрона гена Nad1 в популяциях комплекса европейской и сибирской елей. В качестве материала авторы использовали образцы тканей 488 деревьев из 37 выборок (22 природных популяций и 15 географических культур) ели европейской и ели сибирской. В результате было выявлено 11 вариантов аллелей митохондриального гена Nad1.

Изменчивость второго интрона митохондриального гена Nad1 у ели европейской и ели сибирской определяли на основе присутствия или отсутствия нескольких типов инсерций и количеством повторов двух минисателлитных мотивов размером 34 (0–9 копий) и 32 (0–8 копий) п.н. В зависимости от типа полиморфизма этих участков митохондриального гена Nad1, изученные образцы комплекса ели европейской и ели сибирской отнесены к трем гаплогруппам. Для образцов ели европейской определены две гаплогруппы: южноевропейская и североевропейская, для ели сибирской – сибирская гаплогруппа.

Южноевропейская гаплогруппа ели европейской представлена образцами из Закарпатья (аллели размером 746 и 815 п.н.) и из Беловежской Пущи (815 п.н.), представители которой характеризуются наличием однонуклеотидной вставки и инсерции размером 33 п.н., а аллель размером 815 п.н. содержит уникальную для южного гаплотипа вставку в 69 п.н.

На всей Европейской части России, на Урале, на левобережье Оби, а также в Белорусии, Швеции и Эстонии были обнаружены гаплотипы североевропейской гаплогруппы, такие, как 721, 755, 789, 823, 857, 891, 925. Эти варианты гаплотипов различаются количеством повторов первого минисателлитного блока от 1 до 7 копий мотива длиной 34 п.н. У всех северных гаплотипов отсутствуют вставки, характерные для южных (1 п.н., 33 п.н., 69 п.н.), но присутствует инсерция из 9 п.н. Самым распространенным гаплотипом североевропейской гаплогруппы является аллель длиной 721 п.н., а наиболее редкими – гаплотипы 891 и 925 п.н. Наибольшее число вариаций гаплотипов обнаружено в выборке ели из Московской и Тверской областей, а также из Республики Коми.

Экспериментальные данные [2, с. 1117-1125] показывают отсутствие клинальной изменчивости по 2 интрону митохондриального гена Nad1, а выявленный полиморфизм гена Nad1 позволяет определять с высокой долей вероятности происхождение популяций ели европейской и ели сибирской.

В нашем исследовании были изучены образцы хвои у 30 деревьев ели европейской, собранных на территории Щелковского учебно-опытного лесхоза. ДНК выделяли по стандартному протоколу с использованием CTAB. Полимеразно-цепную реакцию (ПЦР) проводили согласно методическим разработкам [2, с. 1117-1125]. Детекция результатов ПЦР была выполнена в 1,5% агарозном геле после окрашивания этидием бромида в ультрафиолетовом свете.

По результатам анализа было определено два гаплотипа ели европейской – 721 п.н. и 755 п.н. Гаплотип 721 п.н. встречался чаще в данной выборке, чем 755 п.н. Обнаруженные гаплотипы – 721 п.н. и 755 п.н. – позволяют отнести изученные образцы ели европейской к североевропейской гаплогруппе.

Таким образом, изучение изменчивости митохондриального гена Nad1 у образцов ели европейской, исследованных на территории Щелковского учебно-опытного лесхоза, показало представленность в выборке двух гаплотипов – 721 п.н. и 755 п.н., принадлежащих к североевропейской гаплогруппе. Полученные данные могут быть полезны в будущем для уточнения происхождения, при незаконных рубках, для пополнения генетической базы данных древесных растений.