ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИПМех РАН |
||
В филогении предположительно средиземноморского по происхождению рода Lotus s. l. (incl. Dorycnium) (триба Loteae, сем. Leguminosae) прослеживается раннее разделение на северную и южную ветви. Северная ветвь, наиболее далеко продвинувшаяся в умеренные широты, выделяется только по пластидным данным. Эволюция этой ветви носит наиболее сложный характер. Проведенные ранее филогенетические исследования на ограниченном материале выявили многочисленные противоречия между системами этой группы, построенными на основе морфологии, и данными филогенетических исследований по разным маркерам ДНК. Одной из основных проблем является разграничение родов Lotus s. str. и Dorycnium, большинством авторов принимаемых как два отдельных рода. Возникла идея сопоставить молекулярную и морфологическую эволюцию в двух группах (секция Lotus и группа, соответствующая роду Dorycnium), связанных общим происхождением и претерпевших географическую экспансию в сходном направлении (из Средиземноморья в умеренные широты), однако отличающихся по дальности и, возможно, времени экспансии. Выявить сходные и различающиеся особенности в их эволюции. Главной целью проекта является построение основанной на мультигенном анализе картины филогенеза и сопровождающих его морфологических преобразований в северной эволюционной ветви рода Lotus s.l. (включая Dorycnium) и формирование новой таксономической концепции этой группы. Задачи проекта: 1) переработка системы трех секций северной линии рода Lotus (около 40-50 видов), основанной на классическом морфолого-географическом подходе с особым вниманием к строению плодов, семян, экстрафлоральных железок и флоральных нектарников; 2) построение филогенетических гипотез о группе, основанных на мультигенном подходе и репрезентативных выборках таксонов; 3) уточнение состава комплекса Dorycnium pentaphyllum Scop. с использованием методов популяционной генетики. 4) формирование новой таксономической концепции северной ветви Lotus и сближаемых с ней таксонов. Таксономические результаты по этой группе могут использоваться флористами и систематиками. Сами секции Lotus и Dorycnium и входящие в них видовые комплексы Lotus corniculatus и Dorycnium pentaphyllum могут служить модельными системами в исследованиях по филогеографии, микроэволюции, молекулярной и популяционной генетике. Данные о тонком строении и функциях экстрафлоральных железок у Lotus и Dorycnium важны для понимания экологических консортивных связей бобовых с другими организмами.
In the phylogeny of the genus Lotus s.l. (incl. Dorycnium) (tribe Loteae, family Leguminosae), possibly originated from Mediterranean region, early split into "southern" and "northern" lineages was discovered. The northern lineage most advanced to the temperate latitudes was revealed by plastid data only. Evolution of this lineage is the most complicated. Previous phylogenetic studies conducted on a restricted material revealed many conflicts between taxonomic systems based on morphology, and phylogenetic tree topologies obtained by different DNA markers. One of the main problems is distinguishing between Lotus s. str. and Dorycnium, which are treated as two distinct genera by the majority of authors. An idea to compare the patterns of molecular and morphologic evolution of two groups (i.e., section Lotus and a group, corresponding to the genus Dorycnium) appeared. These groups are related by common origin and underwent similar geographic expansion from Mediterranean region to temperate latitudes, however differing in the range and possibly in the time of expansion. The main aim of the project is to reconstruct patterns of phylogeny and corresponding morphological changes in the northern evolutionary lineage of the genus Lotus s. l. (incl. Dorycnium) and to propose a new taxonomic concept of the group. The project tasks are: 1) a revision of the classic system of the three Lotus sections of the northern lineage (ca. 40-50 species), based on morphology and geography, with special attention to the structure of fruits, seeds, extrafloral glands and floral nectaries; 2) formulation of phylogenetic hypotheses of the studied group based on multigene approach and representative sampling; 3) a revision of taxonomical composition of the Dorycnium pentaphyllum complex using methods of population genetics; 4) elaboration of new taxonomic concept of the northern lineage of the genus Lotus and related taxa. Taxonomic results for the studied group can be useful for future floristic and taxonomic investigations. Sections Lotus and Dorycnium and their corresponding core groups, i.e. Lotus corniculatus complex and Dorycnium pentaphyllum complex, may serve as model systems for phylogeographical, microevolutionary , molecular phylogenetic and population genetic studies. Data on the micro- and ultrastructure and functions of extrafloral glands in Lotus and Dorycnium are important for understanding of ecological consortive relationships between legume plants and other organisms.
Ожидается публикация результатов в нескольких статьях: 1) 1-2 статьи по морфолого-анатомическому анализу видов Dorycnium с особым вниманием к строению плодов, семян, экстрафлоральных железок и флоральных нектарников. – Эти результаты могут способствовать развитию исследований этих органов у других представителей умеренных бобовых; выявленные особенности строения бобов в связи с одно- и малосемянностью у Dorycnium могут быть полезны при изучении других групп бобовых с такими же особенностями; исследование нектарников может быть полезно с точки зрения медоносной ценности. 2) статья по популяционно-генетической изменчивости видов комплекса Dorycnium pentaphyllum – эти результаты могут быть полезны для понимания особенностей генетической структуры вида в естественном и вторичном ареале (такой ареал выделяли для некоторых видов комплекса D. pentaphyllum); комплекс представляет интересный пример таксона с широким ареалом и географической структурой, а также некоторыми зонами интрогрессии, может использоваться как модельный таксон для филогеографии и микроэволюции. 3) обобщающая статья, включающая мультигенный филогенетический анализ по разным ДНК-маркерам, с обсуждением ранее полученных данных по морфологии и популяционно-генетической изменчивости. – может иметь теоретическое значение, использоваться как основа для таксономической ревизии.
Ранее полученные результаты: изучена филогения трибы Loteae (Degtjareva & al., 2006, 2010, 2012) и рода Lotus (incl. Dorycnium) (Degtjareva & al., 2006, 2008; Kramina et al., 2016), однако широкий видовой охват (около 3/4 видов рода) достигнут только по ядерному маркеру ITS-1-2. Филогения чуть менее половины видов изучена с использованием четырех ДНК-маркеров (ядерных ITS и ETS, пластидных psbA-trnH и rps16) (Kramina et al., 2016). В этих мульгиненных филогенетических анализах виды, относимые к роду Dorycnium в понимании Rikli (1901), представлены достаточно хорошо: изучены семь видов секции Dorycnium, три вида секции Bonjeanea, один вид секции Canaria, один вид секции Lotus, ранее относимый к роду Dorycnium (L. subbiflorus) (Kramina et al., 2016). Однако, большинство видов изучено по единичным образцам. Полностью не изучены два вида секции Canaria; в комплексе Dorycnium pentaphyllum s. l. охвачена лишь часть видового и географического разнообразия. Широкоареальные виды, не входящие в комплекс D. pentaphyllum (D. rectum, D. strictum, D, graecum, D. hirsutum) исследованы по одному или немногим образцам. Не охвачен мультигенным анализом и относящийся к секции Lotus средиземноморский вид L. parviflorus Desf., относимый Seringe (1825) к роду Dorycnium. По единственному изученному маркеру ITS-1-2 этот вид сближается с видами секции Dorycnium, что коррелирует с наличием у них такой особенности как короткие малосеменные бобы. Ввиду того, что проблемы межродовых, межсекционных и межвидовых границ в группе Dorycnium и сближаемых с ней представителях Lotus продолжают оставаться неразрешенными, налицо необходимость продолжения исследования на основе более широкой выборки образцов (охватывающей как недостающие виды, так и внутривидовое географическое разнообразие) и расширенного набора молекулярных маркеров, в частности, доведение выборок по ETS и пластидному набору маркеров как минимум до того же объема, что сделан по ITS (т.е. до 3/4 видового разнообразия).
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 9 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Мультигенная филогения и морфологический анализ северной ветви рода Lotus в связи с проблемой разграничения Lotus и Dorycnium |
Результаты этапа: Изучены гербарные коллекции ISTE, ANK, GAZI (Турция), LE (Россия), MA (Испания) по секциям Lotus, Dorycnium и Bonjeanea рода Lotus, проведена морфометрия 82 образцов, отобрано ок. 100 проб для выделения ДНК. База данных ДНК Lotus (incl. Dorycnium) пополнена 143 образцами, 80 из которых выделены в 2019 г. Филогенетический анализ рода Lotus L. с расширенной представленностью секций Dorycnium и Bonjeanea, проведенный по ITS яДНК и trnL-F хпДНК, выявил следующие закономерности: в пределах преимущественно средиземноморских ареалов видов секции Bonjeanea, Lotus hirsutus, L. rectus и L. strictus, выявляется генетико-географическая подразделенность на западную и восточную части, наиболее четко проявляющаяся по маркеру ITS. Комплекс Lotus dorycnium обособляется в виде отдельной клады по маркеру ITS, но не отделим от L. hirsutus по пластидному маркеру trnL-F. Последний вывод подтвержден и филогенетическим анализом по набору четырех пластидных маркеров (psbA-trnH, интрону rps16, интрону trnL, trnL-F). Внутри комплекса L. dorycnium выделение отдельных видов или подвидов не поддержано, однако выделяются отдельные клады: западно-европейская клада с преобладанием L. dorycnium ssp. gracile и средне-европейская клада c преобладанием L. germanicus, а по пластидным данным также клада с преобладанием L. dorycnium ssp. anatolicum. Дискриминантный анализ комплекса L. dorycnium по 16 морфологическим признакам показал разделение на три группы: 1 - L. dorycnium ssp. anatolicum, 2 – L. germanicus и L. dorycnium ssp. haussknechtii, 3 – L. herbaceus, L. dorycnium и б.ч. D. intermedium. Изучено анатомическое строение плодов восьми видов рода Lotus из секций Dorycnium, Bonjeanea и Lotus. Анатомическое строение перикарпия у исследованных видов в целом сходно, выявлены некоторые количественные отличия. В естественных условиях окр. г.Сочи и в ботаническом саду МГУ собран и зафиксирован материал цветков, прицветников и прилистников пяти видов Lotus (incl. Dorycnium) для исследования нектаников и экстрафлоральных железок с применением ТЭМ и световой микроскопии, проводится отладка методики. | ||
2 | 1 января 2020 г.-26 декабря 2020 г. | Мультигенная филогения и морфологический анализ северной ветви рода Lotus в связи с проблемой разграничения Lotus и Dorycnium |
Результаты этапа: Выделена ДНК 45 образцов Lotus. Получены новые последовательности: 56 последовательностей nrITS1-2, 61 последовательность trnL-F и 68 последовательностей rps16 хпДНК. Исследована эволюционная история видов секции Bonjeanea рода Lotus и сближаемых с ней видов в контексте эволюции рода в целом с использованием филогенетического, филогеографического и датировочного анализа. Из трех видов секции L. rectus и L. hirsutus имеют широкое распространение в Средиземноморье, в то время как L. strictus имеет дизъюнктивный ареал в Болгарии, Турции, Армении, Восточном Казахстане и прилегающих частях России и Китая. Реконструкции филогении Lotus с расширенной представленнностью группы Bonjeanea проведена по nrITS1-2 и набору пластидных данных (rps16 и trnL-F). Филогеографические закономерности внутри каждого вида проанализированы по набору пластидных маркеров. Оценка времени дивергенции Loteae, Lotus и его отдельных ветвей проведена по nrITS1-2 в программе BEAST. Наши результаты подтвердили немонофилетический характер секции Bonjeanea. Они указывают на то, что Lotus, вероятно, дивергировал примерно 15,87 [9,99–19,81] млн. лет назад, что намного старше, чем полученная ранее оценка ок. 5,54 млн. лет (Jaén-Molina et al., 2021). Предполагаемый возраст дивергенции L. strictus, L. rectus и L. hisrutus (6,1, 4,94 и 4,16 млн. лет, соответственно), видимо, намного предваряет наступление средиземноморского климата современного типа. Наши данные позволяют предположить, что относительно древние геологические события и/или климатические изменения, по-видимому, сыграли роль в ранней диверсификации рода Lotus и его основных клад, а также в формировании филогеографических паттернов, по крайней мере у некоторых видов. Настоящее исследование подтверждает наши более ранние - довольно неожиданные - выводы (Kramina et al., 2016) о тесных отношениях между L. hirsutus и членами комплекса L. dorycnium с сильным несоответствием между пластидными и ядерными данными. Изучено развитие бобов: многосеменного у L. corniculatus и односеменного у L. herbaceus, выявлены различия в скорости одревеснения и ориентации косо-восходящих волокон пергаментного слоя. | ||
3 | 1 января 2021 г.-28 декабря 2021 г. | Мультигенная филогения и морфологический анализ северной ветви рода Lotus в связи с проблемой разграничения Lotus и Dorycnium |
Результаты этапа: Lotus dorycnium L. (= Dorycnium pentaphyllum Scop.) представляет собой комплекс таксонов, разными авторами относимых к Dorycnium или Lotus, с широким средиземноморским ареалом, простирающимся на севере до Центральной и Восточной Европы и на востоке до Крыма, Кавказа и Западного Прикаспия. Молекулярно-филогенетические данные подтверждают включение комплекса L. dorycnium в род Lotus. Проведено изучение филогении, филогеографии и морфологической изменчивости комплекса L. dorycnium на всем ареале с целью установления основных тенденций генетической и морфологической дифференциации этой группы. Результаты морфологического анализа показали некоторую степень морфологической дифференциации, при этом L. dorycnium ssp. herbaceus, ssp. gracilis и ssp. anatolicus были лучше отделены от других подвидов, тогда как ssp. dorycnium, ssp. germanicus и ssp. haussknechtii практически невозможно отличить друг от друга. Филогенетическое изучение комплекса L. dorycnium на основе nrITS выявило тенденцию к географической дифференциации на западную, восточную и турецкую группы. Филогенетический и филогеографический анализы той же группы образцов по объединенному набору пластидных маркеров (trnL-F, rps16, psbA-trnH) продемонстрировали низкое разрешение как между комплексом L. dorycnium и видом L. hirsutus L. из секции Bonjeanea, так и внутри комплекса L. dorycnium, что можно рассматривать как свидетельство сочетания неполной сортировки линий и гибридизации. Статья сдана в печать, Kramina et al., Plants. Несколько выборок из популяций лядвенцев Lotus corniculatus s. l. и L. zhegulensis из секции Lotus исследованы с использованием микросателлитных и нескольких секвенированных ядерных (ITS) и пластидных (atpBrbcL, ndhC-trnV, rpl32-trnL(UAG), trnH-psbA, trnL-trnF) маркеров. В анализ включены 9 локальных популяций в долине Волги от Ульяновска до Волгограда, а также 2 популяции из Липецкой и Московской областей. Анализ микросателлитных маркеров в программе STRUCTURE разделил исследованную выборку на три генетических кластера. Популяции из Московской и Липецкой областей и 3 локальные популяции из locus classicus L. zhegulensis в Самарской области оказались в наибольшей степени генетически дифференцированными, в то время как остальные популяции оказались генетически смешанными с разной пропорцией участия всех трех кластеров. Низкие попарные значения Fst указывают на слабую генетическую дифференциацию популяций Lotus и говорят о внутривидовом характере наблюдаемой изменчивости. Анализ секвенированных пластидных и ядерных последовательностей ДНК выявил их малую информативность. Наблюдаемые замены и индели преимущественно носят характер аутапоморфий и характеризуют отдельные образцы или небольшие группы образцов, но не популяции в целом. Таким образом, проведенное нами исследование позволяет прийти к уверенному выводу, что популяции Lotus с правого берега р. Волги в окрестностях Жигулевской возвышенности, описанные как L. zhegulensis, генетически слабо дифференцированы от других популяций Lotus corniculatus s. l. и, соответственно, не заслуживают рассмотрения в ранге самостоятельного вида. Опубликована статья Т.Е.Крамина и др., Turczaninowia, 2021. С применением бинокулярного микроскопа и СЭМ на репрезентативных выборках изучены морфология и ультраструктура семян видов Lotus из секций Dorycnium (L. dorycnium ssp. herbaceus, L. d. ssp. gracilis, L. d. ssp. germanicus, L. dorycnium ssp. dorycnium, L. graecus), Bonjeanea (L. rectus, L. hirsutus и L. strictus) и Lotus (L. corniculatus). Всем изученным видам свойственна консервативная структура семян, характерная для подсемейства Papilionoideae (Gunn, 1981). Диагностическое и таксономическое значение морфологических признаков семян у изученных видов ограничено. Размер, форма и окраска семян лишь частично позволяют различать виды в исследуемой группе. Наибольшие различия выявлены между видами Lotus секции Bonjeanea. Это коррелирует с высокой степенью генетической изоляции видов этой секции, которая была выявлена при филогенетическом анализе рода Lotus (Kramina et al., 2021). В то же время разделение видов внутри секции Dorycnium по размерам и внешней морфологии семян проблематично, более того, размерные признаки семян не позволяют отличить L. hirsutus от видов Lotus секции Dorycnium. Это согласуется с недавно полученными результатами молекулярно-филогенетического исследования, показавшими отсутствие генетической изоляции между L. hirsutus и L. dorycnium по маркерам пластидной ДНК (Kramina et al., в печати). Анализ ультраструктуры семян показал, что ультраструктура поверхности вокруг рубчика у изученных видов очень консервативна, тогда как на боковой стороне семени более изменчива. Наше исследование показало, что типы ультраструктуры поверхности на латеральной стороне семян не коррелируют с таксономическим положением вида, а скорее отражают адаптации к эколого-географическим условиям произрастания видов. Выявлена разница в степени развития эндосперма между изучаемыми видами, которые разделились на две группы: с тонким (L. strictus, L. corniculatus) и достаточно толстым эндоспермом (остальные виды). Мы не считаем тонкий эндосперм, наблюдаемый у L. strictus и L. corniculatus, примитивным состоянием признака, а полагаем, что этот признак скорее свидетельствует об ускорении развития при распространении из субтропической в умеренную климатическую зону. Статья сдана в печать, T.E.Kramina and S.V.Polevova, Turczaninowia. Изучено анатомическое строение бобов на ранних стадиях развития у L. corniculatus из секции Lotus. Видно постепенное формирование пергаментного слоя и внутреннего паренхимного слоя из внутренней эпидермы плодолистика. Также в ходе развития прослеживается постепенное формирование слоя из клеток с коричневым содержимым в наружном слое мезокарпия, при этом эндокарпий таких клеток лишен. Для секции Lotus, к которой относится L. corniculatus, такие клетки в эндокарпии не характерны. Изучена ультраструктура поверхности бобов у L. graecus, L. dorycnium ssp. herbaceus, L. dorycnium ssp. gracilis, L. hirsutus, L. rectus, L. strictus, L. corniculatus. У всех видов в эпидерме обнаружены устьица. Скульптура поверхности разнообразна, что связано и с разной формой клеток эпидермы, и с разной толщиной и формой отложения кутикулы и эпикутикулярных восков. Последний признак наиболее вариабелен. Наиболее слабые отложения воска, представленные отдельными небольшими фрагментами округлой или неправильной формы представлены у средиземноморских видов L. hirsutus и L. rectus. Для L. dorycnium ssp. herbaceus, L. d. ssp. gracilis и L. corniculatus характерны средние по обилию отложения воска как неправильно-округлой, так и игольчатой формы. Наиболее обильное отложение воска с преобладанием игольчатых и разветвленных кристаллов характерно для L. graecus и особенно для L. strictus, для которого характерны и обильные кутикулярные отложения в виде бугорков. Исследования по плодам будут продолжены. С применением световой микроскопии и методов гистохимии были изучены экстрафлоральные железки у Lotus herbaceus, Lotus graecus, Lotus japonicus. У видов Lotus экстрафлоральные железки формируются из прилистников и прицветников. Они мелкие, обычно темные, красно-коричневого или буро-коричневого цвета. У исследованных видов Lotus herbaceus, Lotus graecus и Lotus japonicus железки из прилистников достаточно хорошо видны на молодых листьях, потом они усыхают и становятся практически незаметными. На молодых участках побега железки представляют собой округлые или чаще эллипсоидальные, сужающиеся кверху образования, состоящие из желто-коричневых (в верхней части) и практически неокрашенных (в нижней части) клеток. Все клетки примерно одинакового размера, изодиаметрические, тонкостенные, каких-либо изменений в химическом составе клеточных стенок (лигнификация, суберинизация) не выявлено. Практически весь объем клетки занят вакуолью, какие-либо другие органеллы клетки с помощью световой микроскопии не выявляются. В ходе проведения реакции с хлорным железом (качественная реакция на наличие дубильных веществ) железки полностью окрашиваются в сине-черный цвет. Реакция довольно длительная, окрашивание первых (самых наружных) клеток выявляется приблизительно через 35-40 минут после начала реакции. Полное окрашивание происходит в течение 2-2,5 часов. Неокрашенными остаются клетки в основании железки. Выводы: экстрафлоральные железки трех видов Lotus-Dorycnium представляют собой массивы слабо специализированных паренхимных клеток с крупными вакуолями, клеточный сок которых содержит дубильные вещества (танины). С применением ТЭМ изучены железистые прицветники у Lotus graecus и прилистники у пяти других видов рода Lotus: L. herbaceus, L. hirsutus, L. japonicus, L. ucrainicus и L. ornithopodioides. Предварительные выводы: 1. Клетки прицветников и прилистников изученных видов, имеющих вид темных железок, в целом имеют сходное строение и предположительно содержат танины (по результатам цветной реакции, световая микроскопия). Они не являются секреторными как на зрелой стадии развития, так и на более ранней, когда они имеют еще светлую окраску. В протопластах клеток не выявлено никаких структур, которые можно было бы интерпретировать как характерные для секретирующих клеток. В наружной клеточной стенке не выявлено каналов, полостей или других структур, могущих служить для выделения секрета на поверхность клеток, но утонченность наружных клеточных стенок прилистников по сравнению с окружающими структурами, позволяет предположить, что в молодом состоянии прилистники легко могли выделять водные растворы через очень тонкую наружную клеточную стенку. 2. Прицветники отличались от прилистников более толстой наружной клеточной стенкой, сопоставимой по толщине с таковой у окружающих структур. Однако исследованных данных по прицветникам недостаточно. 3. Содержимое вакуоли в клетках прилистников и прицветников одинаково. Разнообразие обликов, вероятно, связано с разной степенью деструкции содержимого, которая происходит довольно быстро. Исследование железистых структур, образованных прилистниками и прицветниками, будет продолжено уже за рамками настоящего проекта. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".