О роли самоопыления в приспособлении растений к промышленному загрязнению

В журнале «New Phytologist» (IF: 7.67) вышла статья сотрудников лаборатории экотоксикологии популяций и сообществ к.б.н. О.В. Дули и к.б.н. В.С. Микрюкова, которая посвящена механизмам приспособления растений к обитанию в условиях загрязнения промышленными выбросами. С помощью молекулярно-генетических методов авторы реконструировали историю популяций кукушкина горицвета (Lychnis flos-cuculi) из окрестностей Среднеуральского медеплавильного завода и проверили гипотезу о том, может ли самоопыление служить одним из механизмов приспособления этого вида к загрязнению. Ими показано, что за 70 лет работы завода популяции, обитающие в непосредственной близости от источника загрязнения, испытали «эффект бутылочного горлышка» или «эффект основателя», т.е. взяли начало от очень малого количества особей. Но в последних поколениях их плотность значительно увеличилась, а также усилился обмен генами между соседними популяциями. При этом частота самоопыления у кукушкина горицвета из чистых и загрязненных местообитаний одинакова, а значит самоопыление у этого вида не способствует закреплению признаков устойчивости к загрязнению, и играет лишь роль страхующего механизма, позволяющего популяции выжить в условиях, препятствующих перекрестному опылению.

Изучение живых организмов на загрязненных человеком территориях не только необходимо для поиска путей восстановления экосистем, но и чрезвычайно интересно само по себе. В таких местообитаниях в популяциях растений и животных за относительно короткий (в эволюционном масштабе) промежуток времени проходят процессы приспособления к новым условиям. Эти процессы представляют собой своеобразную модель микроэволюции и в них, как и вообще в эволюции, ключевую роль могут играть механизмы размножения. О колоссальном значении, которое имеют для современной биосферы насекомые-опылители, в наше время известно даже детям. Например, в рассказе Виталия Бианки «Сова», описаны печальные последствия исчезновения опылителей клевера – шмелей: «… Шмели на чужих лугах гуляют, а на Стариков луг и не заглядывают. Клевер на лугу не родится. Корова без клеверу тощает …». А в мультфильме “Медовый заговор” (“Bee movie”) и вовсе представлена катастрофа планетарного масштаба – в течение лета без пчел гибнут все растения. Но это в мультфильме, а что на самом деле происходит, если растение лишено возможности перекрестного опыления, например в результате исчезновения насекомых-опылителей? Оказывается, примерно для 60% видов цветковых растений такие катастрофические последствия вряд ли бы немедленно наступили, поскольку эти виды способны к самоопылению, при котором пыльца из пыльников переносится и прорастает на рыльце пестика того же цветка. Предполагается, что главная функция самоопыления страхующая, т.е. оно обеспечивает выживание популяции при нехватке партнеров для скрещивания или недостатке опылителей. Как и продолжительное близкородственное скрещивание, самоопыление в течение многих поколений, как правило, отрицательно сказывается на генетическом разнообразии и жизнеспособности популяции, поскольку увеличивает частоту встреч одинаковых аллелей (т.е. вариантов какого-либо гена), повышая тем самым вероятность встречи вредных аллелей, а значит и вероятность проявления неблагоприятных признаков (так называемую инбредную депрессию). По этой причине у многих видов растений в ходе эволюции появились разнообразные механизмы, препятствующие попаданию или прорастанию собственной пыльцы на рыльце пестика. Но в некоторых случаях самоопыление может играть положительную роль, поскольку способствует закреплению в популяции аллелей, ответственных за полезные для новых условий признаки или изоляции от соседних популяций, обитающих в других условиях. Этот феномен исследователи наблюдали при заселении загрязненных территорий особями с повышенной металлоустойчивостью. Для целого ряда видов, обитающих на отвалах горнодобывающих шахт Великобритании, Бельгии и Франции, было показано, что естественный отбор по признаку повышенной металлоустойчивости увеличивает частоту особей, склонных к самоопылению, поскольку семенное потомство самоопыляющихся материнских растений с повышенной металлоустойчивостью также устойчиво к тяжелым металлам. И только для одного вида – ярутки лесной (Thlaspi caerulescens) – исследователями из Университета Монпелье (Франция) в 2003 г была показана обратная закономерность: частота самоопыления в металлоустойчивых популяциях этого вида на загрязненных территориях была ниже, чем на чистых. Одно из семейств растений уже более ста лет привлекает исследователей своим высоким разнообразием систем размножения. Это семейство Гвоздичных (Caryophyllaceae), представители которого сильно различаются по склонности к самоопылению. Некоторые виды, например, смолевка безлепестная (Silene apetala) и смолевка ночецветная (S. noctiflora) размножаются почти только самоопылением, другие – исключительно перекрестным опылением, а у остальных доля потомства, получившегося в результате самоопыления, меняется в зависимости от условий среды. К числу последних относят и кукушкин горицвет (Lychnis flos-cuculi), самоопыление которого ограничивает протандрия, т.е. созревание пыльников до созревания пестиков. Этот широко распространенный вид можно встретить на сырых лугах, лесных полянах и лесных просеках. Как компонент луговых сообществ он давно привлекает внимание исследователей. L. flos-cuculi не считается исчезающим, но в некоторых странах Европы из-за расширения сельхозугодий луга фрагментируются и деградируют, луговые виды оказываются под угрозой. Семенные смеси, используемые при их восстановлении, обычно включают семена L. flos-cuculi, но «искусственные» популяции этого вида обычно существуют недолго, поскольку их генетическое разнообразие снижено по сравнению с естественными, а обмену пыльцой между соседями препятствуют протяженные сельхозугодья. Вопрос о том, каков вклад самоопыления в размножении этого вида уже давно интересовал разных исследователей.

Рис.1. Кукушкин горицвет и его семена.

Для нас L. flos-cuculi интересен еще и тем, что на Урале он зарегистрирован в районах, сильно загрязненных промышленными выбросами, в частности вблизи крупнейшего металлургического предприятия Свердловской области – Среднеуральского медеплавильного завода. В 1980-х ежегодная масса выбросов завода достигала 225 тыс. тонн, и хотя к 2010 году выбросы постепенно снизились до всего 5 тыс. тонн в год, содержание тяжелых металлов в почве вблизи завода еще долго будет в десятки и сотни раз выше, чем на чистых территориях. Ранее мы установили, что вблизи завода L. flos-cuculi более устойчив к тяжелым металлам и имеет карликовые размеры, т.е. обладает признаками приспособления к условиям загрязнения. Нас заинтересовало, какова история металлоустойчивых популяций L. flos-cuculi и какую роль самоопыление может играть в приспособлении этого вида к таким условиям. Для поиска ответов на эти вопросы мы использовали молекулярно-генетические данные, полученные для популяций этого вида из чистых, а также умеренно и сильно загрязненных местообитаний.

Рис.2. Некоторые из исследованных местообитаний L. flos-cuculi в окрестностях Среднеуральского медеплавильного завода. Слева направо представлены луга на лесных полянах в чистом районе в 30 км от завода, в умеренно загрязненном районе в 4-х км от завода и в условиях сильного загрязнения вблизи завода.

Для реконструкции историй популяций уже достаточно давно используют генотипирование особей из популяции с помощью микросателлитных маркеров ядерной ДНК. Мы провели генотипирование взрослых растений и их семян с использованием шести микросателлитных локусов, т.е. участков ДНК. Этот метод анализа аналогичен тому, который используется для ДНК-идентификации человека, но из-за сложности последующих расчетов, связанных с такими особенностями размножения растений как самоопыление, мужская и женская полигамия, для анализа репродуктивных процессов в популяциях растений его только начинают использовать. С помощью метода реконструкции родственных отношений по полученным генетическим данным мы рассчитали, какие из собранных семян вероятнее всего образовались в результате самоопыления, а какие появились в результате скрещивания разных особей. В основе этого метода лежит простое предположение о том, что если у потомка обнаружены аллели, отличные от аллелей материнского организма, то наиболее вероятно, что они были принесены с пыльцой чужеродного отцовского растения. С другой стороны, отсутствие отличий между аллелями материнского растения и потомка наиболее вероятно обусловлено его происхождением путем самоопыления.

Рис.3. Пример генетического профиля одного из локусов одного из материнских растений и его потомков. Поскольку аллели длиной 172 и 122 пн отсутствуют в генотипе материнского растения, то они были получены потомками № 2 и 3 вместе с пыльцой чужеродного растения (т.е. эти потомки произошли путем перекрестного опыления). Аллели потомка № 1 и материнского растения полностью совпадают, поэтому для того чтобы понять появился ли потомок в результате самоопыления или перекрестного опыления необходим анализ остальных пяти микросателлитных локусов.

Но не все так просто: расчет вероятностей этих событий не сводится только к поиску совпадений аллелей между особями. Необходимо учитывать скорость мутирования микросателлитов, чтобы исключить долю несовпадений, обусловленных случайными мутациями. А поскольку в генетическом анализе, как и в любом другом, есть свои погрешности измерения, то необходимо рассчитать и учесть частоту погрешностей генотипирования и так называемых нуль-аллелей (аллели, которые не проявляются на генетическом профиле из-за мутаций в месте прикрепления праймера). В результате анализа генетического разнообразия мы реконструировали историю исследуемых популяций. Оказалось, что в популяциях сильно загрязненных местообитаний сильно снижено аллельное разнообразие. Это означает, что в прошлом они испытали «эффект основателя», вследствие заселения местообитаний вблизи завода единичными особями или же «эффект бутылочного горлышка» – в результате гибели большинства особей, например, из-за токсического стресса. Но при этом анализ частот гетерозигот показал, что в последних поколениях этих популяций частота инбридинга снизилась и/или усилился поток генов из соседних популяций. В отношении одной из популяций мы даже можем говорить о «популяционном взрыве», т.е. резком росте численности особей в ней. Вероятно, это происходит из-за изреживания лесных массивов под действием загрязнения, а значит расширения подходящих для вида местообитаний и интенсификации переноса пыльцы между соседними популяциями. Также возможно снижение влияния кислотных выпадений на L. flos-cuculi вследствие уменьшения выбросов завода в последнее десятилетие. Таким образом, результаты реконструкции родственных отношений опровергли наше исходное предположение о том, что приспособление L. flos-cuculi к загрязнению сопровождается повышением частоты самоопыления. Как оказалось, его роль в опылении весьма мала – только от 7 до 23% семенного потомства в популяции образуется в результате самоопыления. Частота самоопыления не изменяется по мере приближения к заводу, эти результаты согласуются с результатами, полученными для ярутки лесной, а значит самоопыление у L. flos-cuculi не играет роль механизма фиксации аллелей устойчивости к загрязнению или изоляции от соседних не устойчивых к тяжелым металлам популяций, а выполняет только страхующую функцию. В ходе работы мы столкнулись с трудностями в анализе данных: из-за сниженного генетического разнообразия в некоторых популяциях сильно загрязненной территории результаты, полученные с помощью разных методов реконструкции родственных отношений, значительно расходились. В итоге значительная часть работы оказалась посвящена проблемам анализа данных – но такова судьба многих современных биологических исследований.

Скачать полный текст статьи: PDF iconDulya O.V., Mikryukov V.S. Genetic variation and selfing rate in Lychnis flos-cuculi along an industrial pollution gradient // New Phytologist. 2015 (in press). DOI: 10.1111/nph.13636

X