danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2021-65-4-439-447dan-991Research ArticleБИОЛОГИЯBIOLOGYГеногеография ели европейской (Picea abies (L.) Karst.) по данным анализа цитоплазматической ДНКGenogeography of norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) according to the analysis of cytoplasmic DNAПадутовВ. Е.PadutovV. E.

Падутов Владимир Евгеньевич – член-корреспондент, д-р биол. наук, доцент, заведующий отделом

ул. Пролетарская, 71, 246050, Гомель

Padutov Vladimir E. – Corresponding Member, D. Sc. (Biology), Associated professor, Head of the Department

71, Proletarskaya Str., 246050, Gomel 

forestgen@mail.ruКаганД. И.KaganD. I.

Каган Дмитрий Ильич – канд. биол. наук, заведующий лабораторией

ул. Пролетарская, 71, 246050, Гомель

Каgаn Dmitry I. – Ph. D. (Biology), Head of the Laboratory

71, Proletarskaya Str., 246050, Gomel 

quercus-belarus@mail.ruИвановскаяС. И.IvanovskayaS. I.

Ивановская Светлана Ивановна – канд. биол. наук, ст. науч. сотрудник

ул. Пролетарская, 71, 246050, Гомель

Ivanovskaya Svetlana I. – Ph. D. (Biology), Senior research

71, Proletarskaya Str., 246050, Gomel 

isozyme@mail.ruБарановО. Ю.BaranovO. Yu.

Баранов Олег Юрьевич – д-р биол. наук, доцент, заведующий лабораторией

ул. Пролетарская, 71, 246050, Гомель

Baranov Oleg Yu. – D. Sc. (Biology), Associated professor, Head of the Laboratory

71, Proletarskaya Str., 246050, Gomel 

betula-belarus@mail.ruМаркевичТ. С.MarkevichT. S.

Маркевич Татьяна Сергеевна – канд. биол. наук, науч. сотрудник

ул. Пролетарская, 71, 246050, Гомель

Markevich Tatyana S. – Ph. D. (Biology), Researcher

71, Proletarskaya Str., 246050, Gomel 

tatjana2002_21@inbox.ruИнститут леса Национальной академии наук БеларусиInstitute of Forest of the National Academy of Sciences of Belarus202101092021654439447Copyright © Падутов В.Е., Каган Д.И., Ивановская С.И., Баранов О.Ю., Маркевич Т.С., 20212021Падутов В.Е., Каган Д.И., Ивановская С.И., Баранов О.Ю., Маркевич Т.С.Padutov V.E., Kagan D.I., Ivanovskaya S.I., Baranov O.Y., Markevich T.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/991

Ель европейская (Picea abies (L.) Karst.) является одним из основных лесообразующих видов Беларуси, выполняя важные экономические, экологические и социальные функции. Еловая формация региона характеризуется сложной историей формирования своей популяционно-генетической структуры. Целью данной работы являлся геногеографический анализ популяций P. abies и установление региональных особенностей ее генофонда на территории Беларуси. Проведен молекулярно-генетический анализ микросателлитных (SSR) локусов хлоропластной ДНК и локуса mt15-D02 митохондриальной ДНК P. abies в 57 древостоях естественного происхождения. Выявлено 19 аллельных вариантов локусов Pt63718, Pt26081, Pt71936 хпДНК и два аллельных варианта mt15-D02 мтДНК. Установлено географическое распространение аллелей и рассмотрены региональные особенности геногеографической дифференциации еловой формации. Для еловых древостоев юга Беларуси (Брестская и Гомельская области), где пролегает южная граница сплошной области распространения P. abies и ее островные местонахождения, частота встречаемости отдельных аллельных вариантов SSR-локусов хпДНК имеет наиболее выраженные отклонения от их средних значений по стране. Анализ хпДНК показал наличие определенных региональных особенностей геногеографической структуры еловой формации в направлении «юг–север» и «запад–восток», а мтДНК – концентрацию на юго-западе Беларуси деревьев P. abies южного (карпатского) происхождения, на остальной части страны – северного (бореального). Результаты проведенного геногеографического анализа популяций P. abies могут служить основой для совершенствования лесосеменного районирования данного вида.

Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) is one of the main forest-forming species in Belarus. It plays important economic, ecological and social roles. The spruce forest of the region is characterized by a complex history of the formation of its population genetic structure. The aim of this study was the genogeographic analysis of P. abies populations and the description of regional features of its gene pool in Belarus. Molecular genetic analysis of microsatellite (SSR) loci of chloroplast DNA and mt15-D02 locus of mitochondrial DNA of Norway spruce was carried out for samples from 57 naturally originated forest stands. We identified 19 allelic variants of the Pt63718, Pt26081, Pt71936 cpDNA loci and two allelic variants of mt15-D02 mtDNA. The geographical distribution of the alleles has been described and the regional features of the genogeographic differentiation of the spruce forests have been considered. The southern border of the continuous distribution area of P. abies and its island localities lie in the south of Belarus (Brest and Gomel regions). The frequency of occurrence of individual allelic variants of cpDNA SSR loci has the most pronounced deviations from the average values for the whole country in those regions. Analysis of cpDNA showed the presence of certain regional features of the genogeographic structure of the spruce forest in the “south-north” and “west-east” directions. According to mitochondrial DNA analysis higher concentration of P. abies trees of southern (Carpathian) origin is observed in the southwest of Belarus. On the contrary northern (Boreal) origin dominates in the rest of the country. The results of performed genogeographic analysis of Norway spruce populations can serve as a basis for improving the forest seed zoning of the tree species.

ель европейскаяPicea abiesPicetumхлоропластная ДНКмитохондриальная ДНКмикросателлитный анализгеногеографияNorway sprucePicea abiesPicetumchloroplast DNAmitochondrial DNAmicrosatellite analysisgenogeographyReferencesСарнацкий, В. В. Особенности ведения хозяйства в условиях экстремальных нарушений лесных экосистем Беларуси / В. В. Сарнацкий // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. бiял. навук. – 2015. – № 1. – С. 21–25.Sarnatsky V. V. Particularity of farming in conditions of extreme damage of forest ecosystems in Belarus. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya biyalagichnykh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Biological series, 2015, no. 1, pp. 21–25 (in Russian).Парфенов, В. И. Обусловленность распространения и адаптация видов растений на границах ареалов / В. И. Парфенов. – Минск, 1980. – 208 с.Parfenov V. I. Conditionality of distribution and adaptation of plant species at the boundaries of areas. Minsk, 1980. 208 p. (in Russian).Еловичева, Я. К. Палинология Беларуси: в 4 ч. / Я. К. Еловичева. – Минск, 2018. – 831 с.Elovicheva Ya. K. Palynology of Belarus: in 4 parts. Minsk, 2018. 831 p. (in Russian).Ковалевич, О. А. Геногеографические особенности распространения популяций дуба черешчатого в Беларуси / О. А. Ковалевич, Д. И. Каган, В. Е. Падутов // Современное состояние, тенденции развития, рациональное использование и сохранение биологического разнообразия растительного мира: материалы Междунар. науч. конф. – Минск, 2014. – С. 328–332.Kovalevich O. A., Kagan D. I., Padutov V. E. Genogeographic features of the distribution of pedunculate oak populations in Belarus. Sovremennoe sostoyanie, tendentsii razvitiya, ratsional’noe ispol’zovanie i sokhranenie biologicheskogo raznoobraziya rastitel’nogo mira: materialy Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii [Current state, development trends, rational use and conservation of biological diversity of the plant world: materials of the International Scientific Conference]. Minsk, 2014, pp. 328–332 (in Russian).Кавендер-Бэрес, Д. Расцвет дубов / Д. Кавендер-Бэрес, П. Манос, Э. Хипп // В мире науки. – 2020. – № 10. – С. 4–13.Kavender-Behres D., Manos P., Khipp E. H. The Blossom of Oaks. V mire nauki = In the world of science, 2020, no. 10, pp. 4–13 (in Russian).Differentiation among Austrian populations of Norway spruce [Picea abies (L.) Karst.] assayed by mitochondrial DNA markers / F. Maghuly [et al.] // Tree Genet. Genomes. – 2007. – Vol. 3, N 3. – P. 199–206. https://doi.org/10.1007/s11295-006-0055-zMaghuly F., Nittinger F., Pinsker W., Praznik W., Fluch S. Differentiation among Austrian populations of Norway spruce [Picea abies (L.) Karst.] assayed by mitochondrial DNA markers. Tree Genetics and Genomes, 2007, vol. 3, no. 3, pp. 199–206. https://doi.org/10.1007/s11295-006-0055-zRan, J.-H. Molecular Phylogeny and Biogeography of Picea (Pinaceae): Implications for Phylogeographical Studies Using Cytoplasmic Haplotypes / J.-H. Ran, X.-X. Wei, X.-Q. Wang // Molecular Phylogenetics and Evolution. – 2006. – Vol. 41, N 2. – Р. 405–419. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2006.05.039Ran J.-H., Wei X.-X., Wang X.-Q. Molecular Phylogeny and Biogeography of Picea (Pinaceae): Implications for Phylogeographical Studies Using Cytoplasmic Haplotypes. Molecular Phylogenetics and Evolution, 2006, vol. 41, no. 2, pp. 405–419. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2006.05.039Litkowiec, M. Utility of two mitochondrial markers for identification of Picea abies refugial origin / M. Litkowiec, M. Dering, A. Lewandowski // Dendrology. – 2009. – Vol. 61. – P. 65–71.Litkowiec M., Dering M., Lewandowski A. Utility of two mitochondrial markers for identification of Picea abies refugial origin. Dendrology, 2009, vol. 61, pp. 65–71.Genetic and historical studies on the origin of Norway spruce in Białowieza Primeval Forest in Poland / M. Dering [et al.] // Eur. J. Forest Res. – 2012. – Vol. 131, N 2. – P. 381–387. https://doi.org/10.1007/s10342-011-0510-8Dering M., Misiorny A., Lewandowski A., Korczyk A. Genetic and historical studies on the origin of Norway spruce in Białowieza Primeval Forest in Poland. European Journal of Forest Research, 2012, vol. 131, no. 2, pp. 381–387. https://doi.org/10.1007/s10342-011-0510-8Генетическая дифференциация популяций ели на северо-западе России по результатам маркирования микросателлитных локусов / Е. К. Потокина [и др.] // Экологическая генетика. – 2012. – Т. 10, № 2. – С. 40–49.Potokina E. K., Orlova L. V., Vishnevskaya M. S., Alekseeva E. A., Potokin A. F., Egorov A. A. Genetic differentiation of spruce populations in northwest Russia according to the results of microsatellite loci analysis. Russian Journal of Genetics: Applied Research, 2013, vol. 3, no. 5, pp. 352–360. https://doi.org/10.1134/s2079059713050080Natural hybridization of Yezo and Sakhalin spruce in central Hokkaido, revealed by DNA markers with contrasting modes of inheritance / M. Aizawa [et al.] // Plant Species Biology. – 2016. – Vol. 31, N 3. – P. 188–195. https://doi.org/10.1111/1442-1984.12101Aizawa M., Yoshimaru H., Ogawa H., Goto S., Kaji M. Natural hybridization of Yezo and Sakhalin spruce in central Hokkaido, revealed by DNA markers with contrasting modes of inheritance. Plant Species Biology, 2016, vol. 31, no. 3, pp. 188–195. https://doi.org/10.1111/1442-1984.12101Пространственное распределение гаплотипов второго интрона гена nad1 в популяциях комплекса европейской и сибирской елей (Picea abies–P. obovata) / Е. А. Мудрик [и др.] // Генетика. – 2015. – Т. 51, № 10. – С. 1117. https://doi.org/10.7868/s0016675815100124Mudrik E. A., Polyakova T. A., Shatokhina A. V., Bondarenko G. N., Politov D. V. Spatial distribution of intron 2 of nad1 gene haplotypes in populations of norway and siberian spruce (Picea abies–P. obovata) species complex. Russian Journal of Genetics, 2015, vol. 51, no. 10, pp. 957–965. https://doi.org/10.1134/s1022795415100129Падутов, В. Е. Методы молекулярно-генетического анализа / В. Е. Падутов, О. Ю. Баранов, Е. В. Воропаев. – Минск, 2007. – 176 с.Padutov V. E., Baranov O. Yu., Voropaev E. V. Methods of molecular and genetic analysis. Minsk, 2007. 176 p. (in Russian).Юркевич, И. Д. Типы и ассоциации еловых лесов (по исследованиям в БССР) / И. Д. Юркевич, Д. С. Голод, В. И. Парфенов. – Минск, 1971. – 350 с.Yurkevich I. D., Golod D. S., Parfenov V. I. Types and associations of spruce forests (according to research in the BSSR). Minsk, 1971. 350 p. (in Russian).Юркевич, И. Д. Типология и формовой состав еловых лесов Белоруссии / И. Д. Юркевич, Д. С. Голод, В. И. Парфенов // Вопросы лесоведения. – Красноярск, 1970. – С. 130–185.Yurkevich I. D., Golod D. S., Parfenov V. I. Typology and shape composition of spruce forests of Belarus. Voprosy lesovedeniya [Problems of forestry]. Krasnoyarsk, 1970, pp. 130–185 (in Russian).The extent and meaning of hybridization and introgression between Siberian spruce (Picea obovata) and Norway spruce (Picea abies): cryptic refugia as stepping stones to the west? / Y. Tsuda [et al.] // Mol. Ecol. – 2016. – Vol. 25, N 12. – P. 2773–2789. https://doi.org/10.1111/mec.13654Tsuda Y., Chen J., Stocks M., Källman T., Sønstebø J. H., Parducci L., Semerikov V., Sperisen C., Politov D., Ronkainen T., Valiranta M., Vendramin G. G., Tollefsrud M. M., Lascoux M. The extent and meaning of hybridization and introgression between Siberian spruce (Picea obovata) and Norway spruce (Picea abies): cryptic refugia as stepping stones to the west? Molecular Ecology, 2016, vol. 25, no. 12, pp. 2773–2789. https://doi.org/10.1111/mec.13654

The authors declare that there are no conflicts of interest present.