Genetic Diversity, Structure and Differentiation of Picea abies–Picea obovata–Picea koraiensis Species Complex According to Data of Chloroplast DNA Microsatellite Analysis

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of a comparative study of the genetic structure, parameters of intraspecific genetic diversity and spatial differentiation of 35 populations of Picea abies–P. obovata–P. koraiensis species complex, located within the areas of distribution «pure» species and in the contact zones of their ranges were presented. P. abies populations from Eastern Europe (Belarus, Poland), spruce populations from the European part of Russia, the Urals and the West Siberian Plain, located in the zone of P. abies and P. obovata introgressive hybridization, P. obovata populations from various parts extensive range of this species in Siberia and Mongolia, as well as P. koraiensis populations from the Russian Far East and Northeast China were analysed. The study of genetic variability and differentiation of populations was carried out on the basis of an analysis of the variability of three microsatellite loci: Pt63718, Pt71936 and Pt26081, developed on the basis of Pinus thunbergii Parl chloroplast genome. The use of these DNA markers made it possible to obtain data indicating a fairly high degree of P. koraiensis genetic divergence from two other spruce species included in the complex, P. abies and P. obovata. Korean spruce growing in the Far East differs significantly from the populations of these species in the number and composition of haplotypes, the level of genetic diversity and population structure, which gives us reason to consider it as a separate species.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. Ya. Larionova

Sukachev Institute of Forest, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Federal Research Center «Krasnoyarsk Science Center Siberian Branch, Russian Academy of Sciences»

Author for correspondence.
Email: alya-larion@yandex.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660036

S. A. Semerikova

Institute of Plant and Animal Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: alya-larion@yandex.ru
Russian Federation, Yekaterinburg, 620144

A. K. Ekart

Sukachev Institute of Forest, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Federal Research Center «Krasnoyarsk Science Center Siberian Branch, Russian Academy of Sciences»

Email: alya-larion@yandex.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660036

A. N. Kravchenko

Sukachev Institute of Forest, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Federal Research Center «Krasnoyarsk Science Center Siberian Branch, Russian Academy of Sciences»

Email: kravchenko-anna.n@yandex.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660036

V. L. Semerikov

Institute of Plant and Animal Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: alya-larion@yandex.ru
Russian Federation, Yekaterinburg, 620144

M. A. Polezhaeva

Institute of Plant and Animal Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: alya-larion@yandex.ru
Russian Federation, Yekaterinburg, 620144

References

  1. Правдин Л. Ф. Ель европейская и ель сибирская в СССР. М.: Наука, 1975. 176 с.
  2. Бобров Е. Г. Лесообразующие хвойные СССР. Л.: Наука, 1978. 188 с.
  3. Крюссман Г. Хвойные породы. М.: Лесн. пром-сть, 1986. 256 с.
  4. Коропачинский И. Ю., Встовская Т. Н. Древесные растения Азиатской России. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. 707 с.
  5. Попов П. П. Ель европейская и сибирская: структура, интерградация и дифференциация популяционных систем. Новосибирск: Наука, 2005. 233 с.
  6. Ареалы деревьев и кустарников СССР: в 3-х т. / сост. С. Я. Соколов, О. А. Связева, В. А. Кубли и др. Л.: Наука, 1977. Т. 1. 164 с.
  7. Недолужко В. А. Конспект дендрофлоры российского Дальнего Востока. Владивосток: Дальнаука, 1995. 208 с.
  8. Воробьев Д. П. Дикорастущие деревья и кустарники Дальнего Востока. Л., 1968. 278 с.
  9. Schmidt-Vogt H. Die Fichte. Hamburg; Berlin: Paul Parey, 1977. Bd. 1. 647 s.
  10. Ворошилов В. Н. Определитель растений советского Дальнего Востока. М.: Наука, 1982. 612 с.
  11. Коропачинский И. Ю. Сосновые – Pinaceae Lindl. // Сосудистые растения Дальнего Востока. Л.: Наука, 1989. С. 9–20.
  12. Liu Tang-shui. A new proposal for the classification of the genus Picea // Acta Phytotax. Geobot. 1982. V. 33. № 4. P. 227–245.
  13. Усенко Н. В. Деревья, кустарники и лианы Дальнего Востока. Хабаровск, 1984. 272 с.
  14. Ворошилов В. Н. Критический пересмотр некоторых видов флоры Дальнего Востока // Бюл. ГБС. 1984. Вып. 134. С. 33–39.
  15. Farjon A. World Checklist and Bibliography of Conifers. Kew: Royal Botanic Gardens, 2001. 309 р.
  16. Потемкин О. Н. Ель сибирская (Picea obovata Ledeb.) в Сибири и на Дальнем Востоке (изменчивость, гибридизация, таксономия): Автореф. дис. … канд. биол. наук. Новосибирск, 1994. 17 с.
  17. Усов В. Н. Ель корейская и леса из ели корейской в Приморском крае: Автореф. дис …. д-ра с.-х. наук. Уссурийск, 2006. 32 с.
  18. Потемкин О. Н., Рудиковский А. В., Потемкина О. В. Полиморфизм морфологических характеристик елей подрода Picea (Pinaceae) в восточных районах обитания // Растительный мир Азиатской России. 2012. № 2(10). С. 19–26.
  19. Карпюк Т. В., Владимирова О. С., Муратова Е. Н. Кариологический анализ ели корейской (Picea koraiensis Nakai) // Вестник СВНЦ ДВО РАН. 2005. № 4. С. 67–77.
  20. Potenko V. V. Relationships among spruces (Picea A. Dietr., Pinaceae) of the Russian Far East // Plant Syst. Evol. 2007. V. 268. № 1–4. P. 1–13. https://doi.org/10.1007/s00606-007-0551-0
  21. Plants of the World Online, 2024. https://powo.science.kew.org (дата обращения: 24.05.2024).
  22. World Flora Online, 2024. http://www.worldfloraonline.org (дата обращения: 24.05.2024).
  23. Du F. K., Petit R. J., Liu J. Q. More introgression with less gene flow: Сhloroplast vs. mitochondrial DNA in the Picea asperata complex in China, and comparison with other Conifers // Mol. Ecol. 2009. V. 18. P. 1396–1407. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2009.04107.x
  24. Wang Y, Jiang Z, Qin A. et al. Population structure, genetic diversity and candidate genes for the adaptation to environmental stress in Picea koraiensis // Plants. 2023. V. 12(6). P. 1266. https://doi.org/10.3390/plants12061266
  25. Голубец М. А. Современная трактовка объема вида Picea abies (L.) Karst. и его внутривидовых таксонов // Ботан. журн. 1968. Т. 53. №. 8. С. 1048–1062.
  26. Orlova L., Gussarova G., Glazkova E. et al. Systematics and distribution of spruce species in the North-West of Russia // Dendrobiology. 2020. V. 84. P. 12–29. http://dx.doi.org/10.12657/denbio.084.002
  27. Giannini R., Morgante M., Vendramin G.G. Allozyme variation in Italian populations of Picea abies (L.) Karst. // Silvae Genetica. 1991. V. 40. № 3–4. P. 160–166.
  28. Krutovskii K. V., Bergmann F. Introgressive hybridization and phylogenetic relationships between Norway, Picea abies (L.) Karst., and Siberian, P. obovata Ledeb., spruce species studied by isozyme loci // Heredity.1995. V. 74. P. 464–480.
  29. Vendramin G. G., Anzidei M., Madaghiele A. et al. Chloroplast microsatellite analysis reveals the presence of population subdivision in Norway spruce (Picea abies K.) // Genome. 2000. V. 43. № 1. P. 68–78. https://doi.org/10.1139/g99-093
  30. Meloni M., Perini D., Binelli G. The distribution of genetic variation in Norway spruce (Picea abies Karst.) populations in the western Alps // J. Biogeography. 2007. V. 34. № 6. P. 929–938. https://doi.org/10.1111/j.1365-2699.2006.01668.x
  31. Scotti I., Gugerli F., Pastorelli R. et al. Maternally and paternally inherited molecular markers elucidate population patterns and inferred dispersal processes on a small scale within a subalpine stand of Norway spruce (Picea abies [L.] Karst.) // Forest Ecology and Management. 2008. V. 255. № 11. P. 3806–3812. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2008.03.023
  32. Tollefsrud M.M., Kissling R., Gugerli F. et al. Genetic consequences of glacial survival and postglacial colonization in Norway spruce: Combined analysis of mitochondrial DNA and fossil pollen // Mol. Ecol. 2008. V. 17. № 18. P. 4134–4150. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2008.03893.x
  33. Tollefsrud M. M., Sonstebo J. H., Brochmann C. et al. Combined analysis of nuclear and mitochondrial markers provide new insight into the genetic structure of North European Picea abies // Heredity. 2009. V. 102. № 6. P. 549–562. https://doi.org/10.1038/hdy.2009.16
  34. Мудрик Е. А., Политов Д. В., Белоконь М. М., Привалихин С. Н. Генетическая изменчивость ели европейской по данным микросателлитных локусов // Биосфера Земли: прошлое, настоящее и будущее: Материалы конф. молодых ученых (21–25 апреля 2008), ИЭРиЖ УрО РАН. Екатеринбург: Гощицкий, 2008. С. 154–157.
  35. Tollefsrud M. M., Sperisen Ch. Paternal introgression from Siberian spruce (Picea obovata) to Norway spruce (P. abies): Tracing pollen and seed flow with chloroplast and mitochondrial DNA // Conservation of Forest Genetic Resources in Siberia: Proc. 3-rd Intern. conf. (August 23–29, 2011). Krasnoyarsk, Russia, 2011. P. 162.
  36. Tollefsrud M. M., Latałowa M., van der Knaap W. O. et al. Late Quaternary history of North Eurasian Norway spruce (Picea abies) and Siberian spruce (Picea obovata) inferred from macrofossils, pollen and cytoplasmic DNA variation // J. Biogeography. 2015. V. 42. № 8. P. 1431–1442. https://doi.org/10.1111/jbi.12484
  37. Мудрик Е. А., Полякова Т. А., Шатохина А. В. и др. Пространственное распределение гаплотипов второго интрона гена nad1 в популяциях комплекса европейской и сибирской елей (Picea abies– P. obovata) // Генетика. 2015. Т. 51. № 10. С. 1117–1125. https://doi.org/10.7868/S0016675815100124
  38. Tsuda Y., Chen J., Stocks M. et al. The extent and meaning of hybridization and introgression between Siberian spruce (Picea obovata) and Norway spruce (Picea abies): Сryptic refugia as stepping stones to the west? // Mol. Ecol. 2016. V. 25. № 12. P. 2773–2789. https://doi.org/10.1111/mec.13654
  39. Мудрик Е. А., Полякова Т. А., Белоконь М. М. и др. Генетическая дифференциация комплекса Picea abies–P. obovata по данным локуса nad1 мтДНК // Сохранение лесных генетических ресурсов: Материалы 5-й Межд. конф.-совещ. (02–07 октября 2017). Гомель: ООО «Колордрук», 2017. С. 143–144.
  40. Chen J., Li L., Milesi P. et al. Genomic data provide new insights on the demographic history and the extent of recent material transfers in Norway spruce // Evolutionary Applications. 2019. V. 12. № 8. P. 1539–1551. https://doi.org/10.1111/eva.12801
  41. Падутов В. Е., Каган Д. И., Ивановская С. И. и др. Геногеография ели европейской (Picea abies (L.) Karst.) по данным анализа цитоплазматической ДНК // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. 2021. Т. 65. № 4. С. 439–447. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2021-65-4-439-447
  42. Li L., Milesi P., Tiret M. et al. Teasing apart the joint effect of demography and natural selection in the birth of a contact zone // New Phytologist. 2022. V. 236. P. 1976–1987. https://doi.org/10.1111/nph.18480
  43. Zhou O., Karunarathne P., Andersson-Li L. et al. Recurrent hybridization and gene flow shaped Norway and Siberian spruce evolutionary history over multiple glacial cycles // Mol. Ecol. 2024. V. 33. № 17. P. 1–14 https://doi.org/10.1111/mec.17495
  44. Янбаев Ю. А., Шигапов З. Х., Путенихин В. П., Бахтиярова Р. М. Дифференциация популяций ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) на Южном Урале // Генетика. 1997. Т. 33. № 9. С. 1244–1249.
  45. Путенихин В. П., Шигапов З. Х., Фарукшина Г. Г. Ель сибирская на Южном Урале и в Башкирском Предуралье (популяционно-генетическая структура). М.: Наука, 2005. 180 с.
  46. Кравченко А. Н., Ларионова А. Я., Милютин Л. И. Генетический полиморфизм ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) в Средней Сибири // Генетика. 2008. Т. 44. № 1. С. 45–53.
  47. Кравченко А. Н., Ларионова А. Я., Экарт А. К. Генетический полиморфизм популяций ели сибирской Picea obovata (Pinacea) в Азиатской части ареала // Вестник СВНЦ ДВО РАН. 2013. № 2. С. 74–85.
  48. Кравченко А. Н., Экарт А. К., Ларионова А. Я. Генетическое разнообразие и дифференциация популяций ели сибирской по ядерным микросателлитным локусам // Генетика. 2016. Т. 52. № 11. С. 1262–1269. https://doi.org/10.7868/S0016675816090083
  49. Экарт А. К., Семерикова С. А., Семериков В. Л. и др. Изменчивость аллозимных и cpSSR-маркеров в популяциях ели сибирской // Генетика. 2016. Т. 52. № 3. С. 311–319. https://doi.org/10.7868/S001667581603005X
  50. Шилкина Е. А., Ибе А. А., Шеллер М. А., Сухих Т. В. Генетическая дифференциация популяций Picea obovata L. в регионах Сибири // Хвойные бореальной зоны. 2019. Т. 37. № 1. С. 68–73.
  51. Ларионова А. Я., Семерикова С. А., Семериков В. Л. и др. Полиморфизм микросателлитных локусов хлоропластной ДНК ели сибирской // Экология и эволюция: Материалы межд. симп., посвященного 100-летию академика С.С. Шварца (1–5 апреля 2019). Екатеринбург: Гуманитарный ун-т, 2019. С. 318–320.
  52. Экарт А. К., Семериков В. Л., Ларионова А. Я., Кравченко А. Н. Изменчивость локуса mh44 митохондриальной ДНК в популяциях ели сибирской // Генетика. 2020. Т. 56. № 7. С. 842–847. https://doi.org/10.31857/S0016675820070036
  53. Ильинов А. А., Топчиева Л. В., Раевский Б. В. Использование микросателлитных маркеров в изучении генофонда ели финской Picea × fennica (Regel) Kom. // Сохранение лесных генетических ресурсов Сибири: Материалы 3-го Межд. совещания (23–29 августа 2011). Красноярск, Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2011. С. 57–58.
  54. Потокина Е. К., Орлова Л. В., Вишневская М. С. и др. Генетическая дифференциация популяций ели на северо-западе России по результатам маркирования микросателлитных локусов // Экол. генетика. 2012. Т. 10. № 2. С. 40–49.
  55. Потокина Е. К., Киселева А. А., Николаева М. А. и др. Использование маркеров органельной ДНК для анализа филогеографии восточно-европейской популяции ели европейской Picea abies (L.) H. Karst. // Вавил. журн. генетики и селекции. 2014. Т. 18. №4/1. С. 818–830.
  56. Volkova P., Shipunov A., Borisova P. et al. In search of hybridity: the case of Karelian spruces // Silva Fennica. 2014. V. 48. №.2 P. 1–14. https://doi.org/10.14214/sf.1072
  57. Попов П. П. Распространение особей промежуточной формы в популяциях елей европейской и сибирской // Сиб. лесной журн. 2018. № 4. С. 13–19.
  58. Shao C.-C., Shen T.-T., Jin W.-T. et al. Phylotranscriptomics resolves interspecific relationships and indicates multiple historical out-of-North America dispersals through the Bering Land Bridge for the genus Picea (Pinaceae) // Mol. Phylogenet. Evol. 2019. V. 141. Р. 106610. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2019.106610
  59. Vendramin G. G., Lelli L., Rossi P., Morgante M. A set of primers for the amplification of 20 chloroplast microsatellites in Pinaceae // Mol. Ecol. 1996. V. 5. P. 595–598.
  60. Nasri N., Bojovic S., Vendramin G. G., Fady B. Population genetic structure of the relict Serbian spruce, Picea omorika, inferred from plastid DNA // Plant Syst. Evol. 2008. V. 271. P. 1–7. https://doi.org/10.1007/s00606-007-0594-2
  61. Семерикова С.А., Семериков В.Л. Изменчивость хлоропластных микросателлитных локусов у пихты сибирской (Abies sibirica Ledeb.) и двух дальневосточных видов пихт A. nephrolepis (Trautv.) Maxim и A. sachalinensis Fr. Schmidt // Генетика. 2007. Т. 43. № 12. С. 1637–1646.
  62. Semerikova S. A., Semerikov V. L., Lascoux M. Post-glacial history and introgression in Abies (Pinaceae) species of the Russian Far East inferred from both nuclear and cytoplasmic markers // J. Biogeography. 2011. V. 38. № 2. P. 326–340. https://doi.org/10.1111/j.1365-2699.2010.02394.x
  63. Семериков В. Л., Семерикова С. А., Дымшакова О. С. и др. Полиморфизм микросателлитных локусов хлоропластной ДНК сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в Азии и Восточной Европе // Генетика. 2014. Т. 50. № 6. С. 660–669. https://doi.org/10.7868/S0016675814040122
  64. Урусов В. М., Лобанова И. Н., Варченко Л. И. Хвойные российского Дальнего Востока – ценные объекты изучения, охраны, разведения и использования. Владивосток: Дальнаука, 2007. 440 с.
  65. Nei M. Molecular Evolutionary Genetics. N.Y.: Columbia Univ. Press, 1987. 512 p.
  66. Devey M. E., Bell J. C., Smith D. N. et al. A genetic linkage map for Pinus radiata based on RFLP, RAPD and microsatellite markers // Theoret. Appl. Genetics. 1996. № 92. P. 673–679. https://doi.org/10.1007/BF00226088
  67. Peakall R., Smouse P. E. GENALEX 6: Genetic analy-sis in Excel. Population genetic software for teaching and research // Mol. Ecol. Notes. 2006. V. 6. № 1. P. 288–295. https://doi.org/10.1111/j.1471-8286.2005.01155.x
  68. Weir B. S., Cockerham C. C. Estimating F-statistics for the analysis of population structure // Evolution. 1984. V. 38. № 6. P. 1358–1370. https://doi.org/10.2307/2408641
  69. Meirmans P. G. Using the AMOVA framework to estimate a standardized genetic differentiation measure // Evolution. 2006. V. 60. № 11. P. 2399–2402. https://doi.org/10.1111/j.0014-3820.2006.tb01874.x
  70. Орлов А. Я. Хвойные леса Амгунь-Буреинского междуречья. М., 1955. 208 с.
  71. Мочалова О. А., Андрианова Е. А. Об изолированных местонахождениях Picea obovata (Pinaceae) на северо-востоке России // Ботан. журнал. 2004. Т. 89. № 12. С. 1823–1839.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Geographical location of the studied populations of the P. abies–P. obovata–P. koraiensis species complex. The black line indicates the range of the European spruce [9] and Siberian spruce [6], and the grey line indicates the range of the Korean spruce [64]. The numbers indicate the numbers of the population samples from Table 1.

Download (1MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Allele frequencies of three cpSSR loci in four population groups of the P. abies–P. obovata–P. koraiensis species complex.

Download (214KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Ordination of the studied spruce populations on the plane of principal coordinates according to the matrix of paired FPT values ​​calculated from the allele frequencies of three cpSSR loci: a – ordination of 35 populations of the P. abies–P. obovata–P. koraiensis species complex; b – ordination of the populations of P. obovata, P. abies and populations from the contact zone of the ranges of these species. The numbering of the populations corresponds to Table 1. The populations of P. obovata are shown in blue, P. abies – in red, populations from the contact zone of the ranges of P. obovata and P. abies – in green, and P. koraiensis – in orange.

Download (453KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences