Гибридизация, полиморфизм и филогенетические отношения видов рода Rosa L

Род Rosa (роза, шиповник) представлен многолетними, преимущественно кустарниковыми растениями, распространенными по всей внетропиче-ской части северного полушария. Некоторые виды, как адвентивные растения, занесены также и в южное полушарие, например, Rosa rubiginosa L. (Zimmenmann et al., 2010). Розы играли исключительную роль в культурной истории европейской цивилизации и в христианской символике и, видимо, так же как и в Китае, были введены человеком в культуру еще несколько тысячелетий назад (Wylie, 1954; Guoliang, 2003; Joyeaux, 2003; Nybom, 2009). Розы выращивались, как декоративные растения, и как источник получаемого из их лепестков розового масла уже в древних цивилизациях Ближнего Востока, откуда их культура распространилась в Древние Египет, Грецию и Римскую Империю. Как декоративные растения они упоминаются уже в Ветхом Завете: в книге премудрости Соломона (2.8) сказано: «увенчаемся цветами роз прежде, нежели они увяли» .

В Средние века розы были уже широко распространены в культуре по всей Европе. С тех пор и по сей день они вдохновляют поэтов, украшают королевские гербы, их изображения чеканятся, на монетах (например, британские монеты в 1 фунт и 20 пенсов украшает геральдическая роза дома Винд-зоров), а женское имя Роза популярно во многих странах. Этот список можно было бы продолжать очень долго.

Актуальность работы. Систематическое изучение роз началось в XVII—XVIII вв. и вылилось в такое количество научных публикаций, что в XIX в. выделилось в особое направление, получившее название родологии.

Получаемые из роз масло и целый ряд других органических веществ используются в парфюмерной и медицинской промышленности. Многочисленные сорта роз повсеместно распространены в озеленении садов и парков. Требования — производства диктуют очень значительные вложения в селекцию, в том числе на устойчивость к вирусным и грибным болезням, и научные исследования по генетике и биохимии роз. В настоящее время зарегистрировано-более 10 000. сортов роз, созданных в результате селекции и гибридизации, вероятно, всего 8 видов: R. moschata Herrm., R. wichnraiana Crep., R. multiflora Thunb. ex. Murr., R. damascena Mill., R. gallica L., R. chinensis Jacq., R. gigantea Collett ex Crep. и R. foetida Herrm. (Matsumoto et al., 1998; Atienza et al., 2005). Это составляет менее 10% генетического разнообразия рода, включающего по современным оценкам разных авторов от 190 (Wissemann, 2003) до 400−500 (Хржановский, 1958, Бузунова, 2001) дикорастущих видов. Такой разброс оценок связан с существующими противоречиями в систематике рода Rosa, которые не были разрешены и с привнесением в нее молеку-лярно-генетических методов.

Не меньшую трудность представляет собой номенклатура названий видов шиповников. Усилиями систематиков разных стран в течение XVTII-XXI вв. было дано более 3000 названий видов и внутривидовых таксонов шипов-ников (IPNI, http://www.ipni.org), синонимизация которых находится пока в зачаточном состоянии (Wissemann, 2003). Первым на трудность таксономического изучения рода Rosa обратил внимание еще Карл Линнейпримечание которого к обработке рода Rosa в первом издании* Species Plantarum (Linnaeus, 1753) вынесено в эпиграф настоящей работы. Как это ни-удивительно, его слова не потеряли актуальности и до настоящего времени. Последующие исследования выявили несколько причин для существующих противоречий в систематике этого рода, носящих, как объективный, так и субъективный характер.

К объективным причинам, затрудняющим разграничение видов и создание стабильной системы рода Rosa, относятся:

1) слабые морфологические различия между видами и наличие внутривидового полиморфизма;

2) отсутствие значительных генетических различий между многими видами, вероятно, связанное с их недавним возникновением;

3) способность многих видов к гибридизации;

4) распространенность полиплоидии, свидетельствующая о сетчатой эволюции во многих группах шиповников;

5) особый тип мейоза и система размножения, получившая название сбалансированной гетерогамии, характерные для крупнейшей секции рода, Caninae (DC.) Ser., свидетельствующие об ее аллополиплоидном происхождении.

К субъективным причинам относится тот факт, что систематикой рода Rosa занималось очень много ученых, описавших огромное количество видов и высказавших множество различных несовпадающих мнений об их родстве. Это еще в конце XIX века отметил известный бельгийский ботаник, монограф рода Rosa Франсуа Крепен (Crepin, 1886), писавший, что виды шиповников различать тем сложнее, чем больше внимания им уделяли систематики и, фактически, обвинивший своих коллег в маниакальном желании описать каждый куст шиповника в качестве самостоятельного вида («1а buissonnomanie»). Однако самому Крепену также не удалось удовлетворительно решить проблему разграничения видов Rosa.

Таким образом, для разработки системы и филогении рода Rosa необходимо вначале понять, что представляют собой виды шиповников и как их можно объективно разграничивать друг от друга. С другой стороны, необходимо понять, какие признаки, морфологические и молекулярные, и какие методы их анализа могут быть пригодны для установления родства видов и реконструкции филогении всего рода. Так как имеющиеся данные указывают на возникновение многих современных групп шиповников в результате недавней быстрой дивергенции- (Wissemann, Ritz, 2005; Joly et al., 2006; Koopman et al., 2009), род Rosa может быть хорошим модельным объектом для изучения процессов видообразования (Crawford, 2010).

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является установление границ ряда модельных видов, выявление возможных механизмов видообразования и роли межвидовой гибридизации в эволюции рода Rosa, а также установление основных групп родства шиповников и вероятных отношений между ними.

Исходя из этого, задачи диссертации были определены следующим образом:

1) изучить изменчивость различных видов шиповников в природных популяциях с использованием морфологических признаков и молекулярно-генетических маркеров;

2) экспериментально изучить гибридизационные процессы в природных популяциях и оценить их потенциальное значение для поддержания видовых границ и видообразования;

3) определить возможные модели видообразования в роде Rosa;

4) установить группы родства шиповников по молекулярно-генетическим данным;

5) установить филогенетические отношения между основными группами родства.

Положения, выносимые на защиту.

1) Виды шиповников с нормальным половым процессом являются об-лигатно перекрестно опыляемыми и самонесовместимыми, морфологически и генетически полиморфными и, как правило, занимают достаточно обширные ареалы.

2) Виды шиповников с половым процессом по типу Caninae являются преимущественно перекрестно опыляемыми, однако способными также и к самоопылению и факультативно апомиктическому развитию плодов. Самоопыление может преобладать в некоторых популяциях, что ведет к уменьшению морфологического и генетического полиморфизма в одних случаях, либо к их резкому возрастанию в других (при межвидовой гибридизации).

3) Шиповники в большинстве случаев достаточно легко вступают в гибридизацию при симпатрических контактах разных видов в природе, однако последствия гибридизации и судьба гибридов могут быть различными. Возможны: а) интрогрессия генов одного вида в генетический пул другого с образованием в различной степени гибридного потомства хотя бы отчасти промежуточного между родительскими видами по своей морфологии.

6) размножение единичных возникших гибридов путем самоопыления с последующим расщеплением по большинству признаков в последующих поколениях гибридов и резким возрастанием морфологического разнообразия. в) гибридогенное видообразование.

4) Сетчатая эволюция и неполная сортировка линий делают невозможным традиционный кладистический анализ рода Rosa, независимо от используемого алгоритма и типа маркеров, т.к. дихотомически ветвящиеся древовидные графы неадекватны характеру родственных отношений видов ши-повников. Проблема может быть решена путем использования методов построения генеалогий хлоропластных и ядерных гаплотипов и раздельного анализа диплоидов и полиплоидов.

5) Большинство видов Rosa являются молодыми и образуют несколько групп родства, лишь отчасти соответствующих традиционно принимаемому секционному делению рода Rosa.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы для ревизии видовых границ и таксономического состава рода, в пределе — для проведения полной современной таксономической ревизии рода Rosa. Установленные группы родства могут использоваться, в том числе, с целью поиска хозяйственно ценных видов. Результаты исследований в природных популяциях и анализа генеалогий гаплотипов могут использоваться при чтении университетских курсов по теории эволюции, используются автором при чтении курса для магистрантов и аспирантов в ВГПУ. Разработанные методы изучения гибридизационных процессов в природе могут быть применены для изучения видов других таксономических групп (успешно применены при изучении родов Galium, Lotus и Hedysarum).

Работа выполнена в Главном ботаническом саду им. Н. В. Цицина РАН.

Выводы.

1) В роде Rosa наблюдаются гомологические ряды изменчивости по признакам опушения" листьев простыми И' железистыми • волоскамиопушения и вооружения"побегов. Параллельная изменчивость по этим признакам наблюдается у большинства изученных видов s секций. Cinnamomeae,. Synstylae, Banksianae, Laevigatae и Pimpinellifoliae.

2)* Rosa majalis представляет собой полиморфный самонесовместимый вид. Внутривидовой" полиморфизм у этого вида не связан с интрогрессивной гибридизацией с видами секции Caninae. Расчленение ее на несколько видов по признакам опушения листьев не имеет биологического обоснования.

3) Виды шиповников секции Caninae способны как к перекрестному опылению, так и к самоопылению и факультативному апогамному апомикси-су. В условиях симпатрии они" способны к гибридизации друг с другом? и с видами других секций.

4), Морфологическое разнообразие в популяциях шиповников секции Caninae может возрастать за счет интрогрессии, либо за счет расщепления в самоопыляющихся линиях гибридов, репродуктивно изолированных от родительских видов.

5) Rosa chomutoviensis, R. tesquicola, R. ucrainica, R. subpygmaea, R. krynkensis представляют собой формы, образующиеся при расщеплении-в самоопыляющихся, линиях гибридов-i?, rubiginosa х R. grossheimii, возникших в результате единственного гибридизационного события в прошлом.

6) Иерархический анализ генеалогии гаплотипов хлоропластного спей-сера trnL-trnF позволил установить, что: а) филогенетические отношения видов рода Rosa парафилетичны из-за неполной сотрировки филогенетических линий и сосуществования предко-вых и дочерних видов в молодых группахб) секция Cinnamomeae является наиболее древней группой Rosa, пред-ковой по отношению ко всем остальным секциямв) центром происхождения секции Cinnamomeae, вероятнее всего, является Восточная Азия и Западное побережье Северной Америкиг) Rosa stellata и R. minutifolia (подрод Hesperhodos) являются прямыми потомками наиболее древней группы роз, общей по происхождению с секцией Cinnamomeae. Этот вывод не противоречит палеонтологическим данным о первых находках листьев Rosa в отложениях эоцена Северной Америки. д) Заселение Северной Америки единственным представителем секции Synstylae (Я. setigera) произошло независимо от секции Cinnamomeae и, видимо, из западной части ареала Synstylae.

7) Виды Rosa являются молодыми и образуют б парафилетических групп родства, лишь отчасти соответствующих традиционно принимаемому секционному делению рода.

8) Секция Synstylae является одной из наиболее эволюционно продвинутых групп Rosa, проникших с севера в горные субтропические районы.

9) Секция Caninae не монофилетична и по материнской линии ведет начало от двух групп видов секций Cinnamomeae и Synstylae. В последней из секций диплоиды R. phoenicia и R. moschata являются наиболее вероятными кандидатами на роль диплоидного предка секции Caninae, т.н. «R. protocanina» .

Благодарности.

Я хочу выразить огромную признательность и благодарность моему учителю профессору А. К. Скворцову, идеи которого послужили отправной точкой этой работы. Я искренне благодарен всем коллегам по Гербарию ГБС им. Н. В. Цицина РАН, в замечательной и теплой атмосфере которого проводились мои’исследования. Особую признательность я хочу высказать всем участникам многочисленных экспедиций, в которых удалось собрать уникальный материал, использованный в моей работе — Н. М. Решетниковой, В.И. Зо-лотову, М. В. Костиной, A.B. Федоровой, коллегам из других учреждений С. Р. Майорову и Т. Е. Краминой (МГУ им. М.В. Ломоносова), Г. Ю. Клинковой и H.A. Супрун (ВГПУ), В. М. Остапко (Донецкий ботанический сад HAH Украины), A.A. Кагало (Институт экологии Карпат HAH Украины) — М. Фишеру, Ф. Эрендорферу, М. Кину (Венский университет, Австрия) и А. Мрквичке (Ландестиргартен, Австрия) и многим другим, перечислить которых, к сожалению, не позволяет объем автореферата. Я благодарен A.B. Федоровой и Д. С. Шабановой за неоценимую помощь в лабораторной работе, а И. Г. Мещерскому (ИПЭЭ РАН) в секвенировании. Особую сердечную признательность я хочу высказать В. К. Бобровой и A.B. Троицкому, научившим меня работе молекулярно-генетическими методами.

Проведенные исследования были частично поддержаны грантами РФФИ (98−04−48 891, 07−04−538, 10−04−240) и программой фундаментальных исследований Президиума РАН «Биоразнообразие и динамика генофондов» .

7.

Заключение

.

Проведенные исследования локальных популяций шиповников позволили установить, что ISSR маркеры являются надежной* и воспроизводимой системой маркеров для изучения внутривидового полиморфизма и гибридизации в роде Rosa. Однако<�интерпретация полученных с их помощью результатов не всегда может быть простой и прямолинейной. При анализе симпат-рических популяций видов секции Caninae ординация и кластеризация данч ных по ISSR маркерам может давать не вполне однозначные и противоречащие морфологическим данным результаты. Однако Байесовы алгоритмы анализа, реализованные в программах Structure2.0 и NewHybrids, даже в таких случаях позволяют вполне надежно документировать процессы гибридизации в природных популяциях шиповников, независимо от уровня плоидно-сти гибридизирующих видов. Особенно перспективным оказывается их совместное применение. Вначале число потенциально гибридизирующих популяций оценивается с помощью моделей, реализованных в программе Structure. Затем, эти же данные подвергаются анализу в рамках модели, заложенной в программе NewHybrids, которая оценивает вероятность разбиения выборки (или ее частей, в соответствии с разделением данных, предложенным в Structure) на дискретные генотипические классы. Применение этого подхода к популяциям шиповников дает возможность различить внутривидовой полиморфизм и полиморфизм, возникающий вследствие гибридизации разных видов при их симпатрических контактах. Разработанный подход позволяет успешно отличать внутривидовую изменчивость от последствий гибридизации разных видов и в других группах растений, в частности, у Lotus (Крамина, Шанцер, 2008) и Hedysarum (Супрун, Шанцер, неопубл. данные).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что межвидовая гибридизация у шиповников секции Caninae нередко действительно наблюдается при симпатрических контактах разных видов. Происходит она и в случае такого рода контактов с видами других секций! Однако последствия ее могут быть, весьма различнымиот интрогрессии до репродуктивной изоляции гибридов. В последнем случае можно наблюдать первые этапы, симпатрического гибридогенного видообразования. В настоящее время трудно^ сказать, насколько стабильными? генетически, морфологически и экологически могут быть такие гибридогенные популяции. Немногочисленные имеющиеся данные (Schanzer, 2001) указывают на то, что такие популяции могут быть достаточно * эфемерными образованиями, численность, которых может резко снижаться при каком-либо изменении условий их существования, вплоть до практически полного исчезновения.

Проведенное исследование генеалогии хлоропластных и ядерных гапло-типов шиповников показало перспективность генеалогических методов анализа для реконструкции филогении рода Rosa. Иерархический анализ, полученных сетей гаплотипов дал достаточно логичную картину вероятных групп родства видов рода Rosa, по большей части хорошо согласующуюся с географическими и морфологическими данными. Тот факт, что общие для. групп видов гаплотипы являются, за единичными исключениями, внутренними га-плотипами сетей, указывает на неполную сортировку филогенетических линий и позволяет установить группы наиболее близкородственных молодых видов. Полиморфизм ряда полиплоидных видов по хлоропластным гаплоти-пам, попадающим в разные группы родства, указывает на их вероятное алло-полиплоидное происхождение, однако в случаях R. pendulina и R. oxyodon также может быть в большей мере связан с неполной сортировкой филогенетических линий, так как часть характерных для них гаплотипов являются внутренними и общими в другими видами.

228 i.