Skip to Content

ИСТОРИЯ С ФИЛОГЕОГРАФИЕЙ

Последние интересные результаты уральских экологов в области популяционной генетики растений, в частности филогеографии, изучающей историю вида на основе анализа характера и географического распределения генетической изменчивости, оценило не только российское, но и мировое научное сообщество. Статья доктора биологических наук В.Л. Семерикова и его коллег из Института экологии растений и животных УрО РАН под названием «Южные, горные популяции сибирской лиственницы (Larix sibirica) не принимали участия в заселении западносибирской равнины» в 2013 году была опубликована в престижном международном журнале «Molecular Ecology». Обложка номера была проиллюстрирована фотографией Полярного Урала, где проводились эти исследования. На первый взгляд, филогеографическая тематика представляет чисто академический интерес, однако оказалось, что она может найти и практическое применение, например, в лесном хозяйстве. И все же наш разговор с Владимиром Леонидовичем Семериковым, заведующим лабораторией молекулярной экологии растений ИЭРиЖ, начался с вопросов теоретических.
— Каким образом изучение генетической изменчивости в популяциях помогает воссоздать историю и географию вида?
— Любой вид на протяжении своего существования переживает как благоприятные, так и неблагоприятные периоды, сопровождающиеся сокращением численности, а нередко оказывается и на грани выживания. Колебания численности обязательно отражаются на характере современной генетической изменчивости, сигналы из прошлого сохраняются в современном геноме. Критический момент в истории популяции, когда происходит сокращение ее генофонда вследствие катастрофического уменьшения численности, генетики называют «бутылочным горлышком». Большая часть генетического разнообразия, существовавшего до «бутылочного горлышка», утрачивается. Если происходило, например, массовое вымирание вида и осталось только две особи, тогда в любом из генов их прямых потомков мы найдем не больше 4 аллелей, переживших это вымирание (аллели — это различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках гомологичных хромосом и определяющие альтернативные варианты развития одного и того же признака). После восстановления численности вида благодаря появлению мутаций опять начнется накопление разнообразия, однако все новые  аллели будут возникать из этих немногих «предковых» аллелей. Поэтому поначалу большая часть вновь возникших аллелей будет мало отличаться от «предковых» аллелей и друг от друга. Со временем в силу мутационного процесса генетические различия между аллелями накапливаются. Анализируя эти различия и располагая оценками скорости мутирования, можно реконструировать динамику численности вида в прошлом, например, выяснить возраст «бутылочного горлышка». 

Несколько другой аспект филогеографии — анализ географического распространения аллелей. Его суть состоит в том, что в неблагоприятные периоды ареал вида распадается на отдельные, изолированные друг от друга популяции, выживающие в климатически наиболее благоприятных районах — рефугиумах, где под действием случайных факторов происходит закрепление тех или иных аллелей. При последующем улучшении условий вид расселяется из этих рефугиумов, и зоны распространения специфических аллелей маркируют пути их движения. Это позволяет реконструировать районы расположения рефугиумов и пути последующего расселения вида по современному ареалу. Одновременно оценив время, прошедшее после «бутылочного горлышка», мы можем также  определить возраст того или иного события в истории биоты, связав его с известными геологическими событиями. Эти подходы являются универсальными для исследования истории любого вида.
— И человека тоже? 
— Конечно, ведь демографические события далекого прошлого сохраняются в геноме современного Homo sapiens. Изучение разнообразия генома человека и генофонда человечества на популяционном уровне открывает огромные возможности реконструкции нашей истории. Согласно последним представлениям, современные люди появились в Центральной Африке, а затем через Сахару пришли в Европу, где столкнулись с неандертальцами и человеком денисовским, названным по месту обнаружения останков в Денисовской пещере на Алтае. В результате возникли гибридные контакты. Благодаря исследованиям группы Сванте Паабо (Институт эволюционной антропологии Общества Макса Планка), выявившей в ископаемых останках фрагмент древней ДНК, были восстановлены геномы и неандертальца, и денисовского человека. Выяснилось, что современный человек несет в себе гены как того, так и другого — мы унаследовали от древних людей около четырех процентов генома. Более того, отследив последующие мутации, возникшие у разных ветвей человечества, расселившегося в Евразии, Австралии, Северной и Южной Америке, удалось установить и время выхода Homo sapiens из Африки — около 60  тысяч лет назад.
— Однако вернемся к вашей специализации. 
— Мы занимаемся филогеографией хвойных деревьев, в частности исследовали изменчивость митохондриального генома лиственницы сибирской, распространенной на огромной территории Евразии. Здесь нам придется немного углубиться в «молекулярные дебри». У животных генетическая информация заключена в двух геномах — в ядре и в  митохондриях, а у растений их три: помимо ядра у них имеется два цитоплазматических генома — хлоропластный и митохондриальный. И наследование у растений происходит весьма своеобразно: у одних видов цитоплазматические геномы наследуются по отцовской линии, у других — по материнской и наоборот. У хвойных митохондриальная ДНК передается по материнской линии, а хлоропластная — по отцовской. Для популяционной генетики растений генетические маркеры, наследуемые по материнской линии, — более ценный объект исследования, чем наследуемые по отцовской: первые передаются через семена, которые падают рядом с деревом, а вторые — через пыльцу, дальность разлета которой на порядок больше. Благодаря этому возникшие посредством мутирования новые аллели митохондриальной ДНК (митотипы) хвойных деревьев гораздо медленнее, чем аллели (хлоротипы) хлоропластной ДНК распространяются от места своего возникновения. Как следствие генетический поток между соседними популяциями гораздо быстрее нивелирует различия по хлоропластной ДНК, чем по митохондриальной. Таким образом, географическая структура изменчивости митохондриальной ДНК гораздо лучше, чем хлоропластной сохраняет информацию о прошлых демографических событиях — изоляции, миграции, гибридных контактах и т.д. В то же время благодаря наличию быстро мутирующих регионов хлоропластная ДНК оказывается более пригодной для количественных оценок прошлых демографических событий, включая их возраст, численность популяций и т.п.
— И к каким вы пришли выводам относительно лиственницы сибирской?
— В исследование было включено более 100 популяций лиственниц сибирской и Сукачева, распределенных по всему ареалу. Анализ пространственного распространения изменчивости митохондриальной ДНК позволил выделить 8 групп популяций, относящихся к определенным географическим регионам — Уралу, Прибайкалью, Алтаю, Саянам и Хангаю, Западной и Средней Сибири. Это означает, что современные популяции лиственницы произошли из отдельных, изолированных друг от друга рефугиумов, располагавшихся в этих регионах. Причем оценки возраста популяционной экспансии лиственницы сибирской, полученные на основе изучения изменчивости хлоропластной ДНК, указывают на весьма древний возраст этого события, значительно превышающий возраст последнего ледникового максимума, имевшего место 20 тысяч лет назад. Поэтому момент расселения из этих рефугиумов мы связываем с наиболее значительным плейстоценовым оледенением, происходившим более 100 тысяч лет назад, когда ледники доходили до 600 северной  широты и лесная растительность в Сибири сохранялась только на юге. По митохондриальной ДНК север Западной и Средней Сибири оказался относительно однородным и близким к популяциям северного макросклона Саян, что свидетельствует о его относительно недавнем заселении из  данного района. Это весьма важная информация для понимания истории биоты Сибири. 
— Какие методы вы используете в своих исследованиях?
— Мы пользуемся пятью маркерами митохондриальной ДНК и пятью маркерами хлоропластной ДНК. Все они основаны на недорогом и доступном методе ПЦР — полимеразной цепной реакции, позволяющей добиться значительного увеличения малых концентраций фрагментов ДНК в биологическом материале. Мы разработали также методику для исследования древней ДНК, в частности для анализа одного из ключевых фрагментов изменчивости митохондриального генома. Дело в том, что в нашем распоряжении часто оказываются найденные дендрохронологами ископаемые остатки лиственниц возрастом до 10 тысяч лет. Деревья лежали в мерзлоте, подтаивали, снова замерзали, поэтому сейчас это почти что мертвая ткань. В одном микролитре содержится всего лишь несколько молекул древней ДНК.  Наша методика включает несколько этапов выделения фрагментов ДНК из ископаемых остатков и их амплификации, т.е. размножения методом ПЦР. С помощью этой методики мы исследовали фрагменты веток лиственницы из кишечника мамонта, обнаруженного десять лет назад на Гыданском полуострове. Возраст этой находки 16 тысяч лет. Мы сделали 26 попыток амплификации фрагментов митохондриальной ДНК — и только две увенчались успехом. Зато удалось определить, что на этой территории тогда росли деревья того же гаплотипа (аллеля митохондриальной ДНК), который и сейчас обитает на юге полуострова, а значит, популяции лиственницы сибирской уральского и сибирского происхождения на севере Западной Сибири уже тогда существовали примерно в современных границах. 
— Филогеографию каких еще хвойных вы изучаете?
— К сожалению, филогеографические исследования с масштабным поиском маркеров митохондриальной ДНК у сибирских видов хвойных были проведены только для лиственниц. Однако есть определенные результаты и по филогеографии сосны обыкновенной, которую мы изучаем совместно с доктором биологических наук А.И. Видякиным из Института биологии Коми научного центра УрО РАН. Здесь мы используем два изменчивых в восточноевропейских популяциях маркера митохондриальной ДНК, один из них разработан нами впервые.
Было выявлено четыре гаплотипа: к востоку от Волги присутствует только наиболее частый из них, к западу от Твери встречаются три гаплотипа, в неширокой полосе от Воронежа до Вологды — только два, четвертый гаплотип — лишь в одной из белорусских популяций. На наш взгляд, такая картина распределения изменчивости митохондриальной ДНК есть следствие послеледникового расселения сосны из рефугиума лесной растительности на Карпатах и на Южном Урале. Возможно, что существовал также рефугиум сосны на юге Среднерусской возвышенности. В дальнейшем мы собираемся расширить поиск изменчивых маркеров митохондриальной ДНК для основных видов хвойных России и разработать маркеры, позволяющие достаточно надежно дифференцировать основные группы популяций.
— Каковы перспективы практического применения ваших результатов? 
— Используя генетические маркеры, можно определять географическое происхождение семян лиственницы, посадочного материала, контролировать качество созданных лесосеменных плантаций. Если наши маркеры доработать определенным образом, удастся устанавливать происхождение нелегальной древесины. Имеющиеся маркеры митохондриальной ДНК сосны обыкновенной пока недостаточно информативны для большинства практических целей, однако даже сейчас с их помощью можно отличить семена из Карелии от семян из Архангельской области.
— И последний вопрос. Занимаясь биологическими исследованиями, вы продолжаете семейную традицию?
— Да, это так. Мой отец доктор биологических наук Леонид Филатович Семериков заведовал в институте лабораторией популяционной экологии растений и был специалистом в области популяционной биологии и генетики древесных растений. Моя супруга Светлана Александровна — кандидат биологических наук, также трудится в нашей лаборатории и занимается молекулярной систематикой хвойных растений. И сын Николай, студент биологического факультета Уральского федерального университета, работает по этой тематике — его курсовая посвящена изменчивости хлоропластной ДНК у крымской сосны. Так что в нашем случае получается, что склонность к биологическим наукам — это «признак», который наследуется из поколения в поколение.
 
Беседовала 
Е. ПОНИЗОВКИНА
 
Год: 
2014
Месяц: 
сентябрь
Номер выпуска: 
17
Абсолютный номер: 
1105
Изменено 01.10.2014 - 13:51


2012 © Российская академия наук Уральское отделение
620990, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
makarov@prm.uran.ru +7(343) 374-07-47