Филогения и систематика подпорядка Jungermanniineae на основе анализа нуклеотидных последовательностей ITS1-2 ядерной и TRNL-F хлоропластной ДНК тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.05, кандидат биологических наук Вильнет, Анна Александровна

• Вильнет, Анна Александровна
• кандидат биологических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Вильнет, Анна Александровна

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. ФИЛОГЕНИЯ И СИСТЕМАТИКА ПОДПОРЯДКА

JUNGERMANNIINEAE В ИСТОРИЧЕСКОМ АСПЕКТЕ.

1.1. Подпорядок Jungermanniineae, его объем и положение в системе Hepaticae.

1.2. Семейство Lophoziaceae Cavers, его объем и положение в системе.

1.3. Семейство Jungermanniaceae Rchb., его объем и положение в системе.

1.4. Семейство Scapaniaceae Mig., его объем и положение в системе.

1.5. Семейство Gymnomitriaceae Klinggr. его объем и положение в системе.

1.6. Филогенетические связи в подпорядке Jungermnniineae на основе анатомо-морфологических данных.

ГЛАВА 2. МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕЧЕНОЧНИКОВ.

2.1. Положение печеночников в системе высших растений.

2.2. Молекулярная филогения печеночников.

2.3. Геносистематические исследования печеночников на уровне семейств.

2.4. Геносистематические исследования печеночников на уровне родов и видов.

2.5. Геносистематические исследования подпорядка Jungarmanniineae.

ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Отбор образцов.

3.2. Выделение ДНК.

3.3. Амплификация ДНК.

3.4. Электрофорез в агарозном геле.

3.5. Элюция и очистка ПЦР продукта из агарозных гелей и секвенирование.

3.6. Филогенетический анализ.

3.7. Анализ вторичной структуры интрона trnL.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ.

ГЛАВА 5. ФИЛОГЕНИЯ И СИСТЕМАТИКА ПОДПОРЯДКА JUNGERMANNIINEAE НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА НУКЛЕОТИДНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ITS 1-2 ядДНК И TRNL-F хпДНК.

5.1. Филогенетические связи семейств подпорядка Jungermanniineae.

5.2. Филогенетические связи в семействе Lophoziaceae Cavers.

5.2.1. Роды Tritomaria Loeske emend H. Buch,

Saccobasis H. Buch.

5.2.2. Роды Anas trophy Hum (Spruce) Steph.,

Sphenolobus (Lindb.) Berggr., Crossocalyx Meyl.

5.2.3. Род Gymnocolea Dumor.

5.2.4. Род Anastrepta (Lindb.)Schiffn.

5.2.5. Роды Tetralophozia (R.M. Schust.) Schljakov,

Plicanthus R.M. Schust.

5.2.6. Род Lophozia (Dumort.) Dumort.s. 1.

5.2.7. Роды Lophozia s. str., Protolophozia (R.M. Schust.) Schljakov.

5.2.8. Род Schistochilopsis (Kitag.) Konstant.

5.2.9. Род Obtusifolium (H. Buch) S.W. Arnell.

5.2.10. Род Isopaches H. Buch.

5.2.11. Род Orthocaulis Н. Buch.

5.2.12. Род Barbilophozia Loeske

5.2.13. Род Leiocolea (Mull. Frib.) H. Buch.

5.3. Филогенетические связи в семействе Scapaniaceae Mig.

5.3.1. Род Diplophyllum (Dumort.) Dumort.

5.3.2. Род Douinia H. Buch.

5.3.3. Род Macrodiplophyllum (H. Buch.) Perss.

5.3.4. Род Scapania (Dumort.) Dumort.

5.3.4.1. Секция Calcicolae Mull. Frib. ex

R.M. Schust. emend. Potemkin.Ill

5.3.4.2. Секция Nemorosae (Mull. Frib.)

H. Buch emend. Potemkin.Ill

5.3.4.3. Секция JJndulatae H. Buch.

5.3.4.4. Секция Curtae (Mull. Frib.) H. Buch emend. Potemkin.

5.3.4.5. Секция Irriguae (Mull. Frib.) H. Buch.

5.3.4.6. Секции Ciliatae Grolle, Sphaeriferae Mull. Frib. ex Konst. et Potemkin,

Verrucosae Potemkin, Incurvae Potemkin.

5.4. Филогенетические связи в семействе Gymnomitriaceae Н. Klinggr.

5.4.1. Род Gymnomitrion Corda.

5.4.2. Род Marsupella Dumort.

5.4.3. Род Prasanthus Lindb.

5.4.4. Род Eremonotus Lindb. et Kaal. ex Pearson.

5.5. Филогенетические связи в семействе Jungermanniaceae Rchb. s. str.

5.5.1. РодМуНа Gray.

5.5.2. Род Nardia Gray.

5.5.3. Род Liochlaena Nees.

5.5.4. Род Jungermannia L. s. 1.

5.5.5. Род Jamesoniella (Spruce) F. Lees.

ГЛАВА 6. АНАЛИЗ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ШПИЛЬКИ Р8 НИТРОНА

TRNL хпДНК РОДА LOPHOZIA S. STR.

6.1. Структура интрона tmL.

6.2. Эволюция шпильки Р8 интрона tmL рода Lophozia s. str.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Филогения и систематика подпорядка Jungermanniineae на основе анализа нуклеотидных последовательностей ITS1-2 ядерной и TRNL-F хлоропластной ДНК»

Актуальность. исследования. Представители подпорядка Jungermanniineae (Jungermanniopsida, Marchantiophyta), широко распространены в Голарктике. Вариабельность анатомо-морфологических признаков большинства видов изучена недостаточно. Разнообразие точек зрения на значение признаков отражается в существовании различных трактовок объемов родов и видов. В целом, в современной систематике подпорядка можно выявить две основные концепции выделения родов: широкая, которой вслед за Schuster (1969) придерживаются большинство западных исследователей (Schumacker, Vana, 2005; Damsholt, 2002) и узкая (Buch, 1933; Arnell, 1956; Шляков, 1980). В последнее время некоторые бриологи принимают только часть «узких» родов (Paton, 1999; Grolle, Long, 2000). Переоценка таксономического веса признаков, установление естественных границ родов и их положения в системе являются актуальными. Сравнительный анализ нуклеотидных последовательностей ДНК является одним из самых современных и эффективных подходов в решении проблем филогении и систематики. Долгое время лишь небольшое число видов печеночников было включено в молекулярные исследования. Только в начале XXI века опубликованы первые работы по крупным систематическим группам печеночников, позволившие переоценить и пересмотреть существующие ранее представления (He-Nygren et al., 2004; Forrest, Crandall-Stotler, 2004; Davis, 2004). Практически одновременно начинают появляться исследования по молекулярной филогении отдельных групп печеночников. Результаты первых филогенетических исследований trnL-F и atpB хпДНК не более полусотни видов подпорядка Jungermanniineae опубликованы всего в двух работах (Yatsentyuk et al., 2004; Schill et al., 2004). Более подробно филогения Jungermanniineae изучена в работе De Roo с сотр. (2007), основанной на анализе trnG и rps4 хпДНК значительно большего числа таксонов.

Целью исследования является оценка возможностей использования последовательностей внутренних транскрибируемых спейсеров (ITS 1-2) ядерного рибосомного оперона (яд-рДНК) и участка trnL-F хлоропластной ДНК (хпДНК) для уточнения филогенетических связей в подпорядке Jungermanniineae.

Для ее достижения были поставлены следующие задачи:

1. Определить последовательности ITS 1-2 яд-рДНК и trnL-F хпДНК таксонов подпорядка Jungermanniineae.

2. Построить филогенетические деревья по последовательностям ДНК для максимального количества таксонов подпорядка Jungermanniineae.

3. Сравнить топологии филогенетических деревьев, построенных разными методами.

4. Оценить и сопоставить полученные результаты с существующими системами печеночников, основанными на анатомо-морфологических данных, и с результатами других молекулярно-генетических исследований, подпорядка Jungermanniineae.

5. Оценить уровень внутривидового полиморфизма изученных локусов ДНК у ряда таксонов.

Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые проведен филогенетический анализ большого числа таксонов и образцов подпорядка Jungermanniineae (137 видов и внутривидовых таксонов, принадлежащих 35 родам) на основе нуклеотидных последовательностей ITS 1-2 яд-рДНК в объединенной матрице с данными по trnL-F хпДНК. Определены последовательности ITS 1-2 для 223 образцов, trnL-F для 198 образцов, из которых последовательности ITS 1-2 47 образцов и trnL-F 44 образцов уже депонированы в международную базу данных GenBank. Показана информативность ITS 1-2 яд-рДНК и trnL-F хпДНК для изучения филогении печеночников подпорядка Jungermanniineae. Впервые с использованием последовательностей ITS 1-2 подтверждена полифилетичность семейств Lophoziaceae Cavers, и Jungermanniaceae Rchb., а также монофилетичность Scapaniaceae Mig., и Gymnomitriaceae Н. Klinggr. Выделение семейств Mesoptychiaceae Inoue et Steere и Diplophyllaceae Potemkin не обосновано. Показана целесообразность включения Scapaniaceae в Lophoziaceae, а также выделения узких родов в подпорядке. Уточнены филогенетические связи некоторых родов, положение в системе которых на основе анатомо-морфологических признаков было неясным. Показана согласованность эволюции исследованных локусов ДНК с эволюцией структурных признаков в некоторых таксонах печеночников. Впервые на большом числе образцов изучена внутривидовая вариабельность нуклеотидных последовательностей ДНК двенадцати видов семейства Lophoziaceae, четырех видов семейства Gymnomitriaceae, и по одному виду семейств Jungermanniaceae и Scapaniaceae. Видовая самостоятельность ряда близких таксонов подтверждается на основе особенностей их нуклеотидных последовательностей.

Полученные результаты являются вкладом в разработку филогенетической системы подпорядка Jungermanniineae и могут быть использованы при обработке отдельных таксонов и изучении региональных флор.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены автором в докладах на российских и зарубежных международных конференциях: международное совещание посвященного 90-летию со дня рождения Анастасии Лаврентьевны Абрамовой «Актуальные проблемы бриологии» (Санкт-Петербург, 2005), I (IX) международная конференция молодых ботаников (Санкт-Петербург, 2006), международная конференция «Устойчивость экосистем и проблема сохранения биоразнообразия на Севере» (Кировск, 2006), 17-й международный симпозиум «Biodiversity and Evolutionary Biology» (Бонн, 2006), конференция по морфологии и систематике растений, посвященная 300-летию со дня рождения Карла Линнея (Москва, 2007), международная конференция «Вычислительная филогенетика и геносистематика» (Москва, 2007), рабочее совещание «Молекулярные методы в ботанике» в ГБС (Москва, 2008).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 6 статей в тематических сборниках и 1 тезисы.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 183 страницах и состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 7 таблиц и 11 рисунков. Список литературы включает 211 наименований цитированных работ.

Заключение диссертации по теме «Ботаника», Вильнет, Анна Александровна

выводы

1. Включение в анализ высоко вариабельных последовательностей-ITS 1-2 яд- рДНК и значительное расширение круга исследованных таксонов-позволило существенно углубить представления о молекулярной филогении Jungermanniineae.

2. Топологии филогенетических деревьев, построенных разными методами, в основном, сходны, но согласуются с традиционными представлениями о филогении и системе подпорядка Jungermanniineae. Широкая трактовка семейства Jungermanniaceae с включением Lophoziaceae не подтверждена. Lophoziaceae и Scapaniaceae следует объединять в одно семейство или выделять на их основе несколько мелких семейств. Gymnomitriaceae монофилетично и является близким к полифилетичному Jungermanniaceae s. str.

3. Выделение семейств Diplophyllaceae и Mesoptichiaceae не обосновано, поддержана самостоятельность Myliaceae.

4. Подтверждены представления о целесообразности использования узкой трактовки родов Lophozia, Anastrophyllum, Tritomaria, Jungerrnannia и выделение в самостоятельные роды Isopaches, Schistochilopsis, Obtusifolium, Barbilophozia, Sphenolobus, Crossocalyx, Saccobasis, Solenostoma и Liochlaena.

5. Роды Lophozia s. str., Tritomaria s. str., Orthocaulis, Jamesoniella, Macrodiplophyllum, Marsupella и Gymnomitrion полифилетичны.

6. Подтвержден видовой статус ряда таксонов, рассматриваемых как разновидности или подвиды: Marsupella aquatica, Lophozia silvicola, Scapania hyperborea, S. tundra, S. paludosa, S. uliginosa, S. nemorea и S. crassiretis. С другой стороны, Lophozia austro-sibirica, по-видимому, следует включить в L. ventricosa var. guttulata, a Protolophozia debiliformis — в L. sudetica. Недавно описанная Lophozia lantratoviae является четко обособленным видом, в то время как Barbilophozia rubescens, возможно, следует считать внутривидовым таксоном В. barbata.

7. Показана филогенетическая близость родов Eremonotus, Leiocolea, Mesoptychia к роду Jungermannia s. str.

8. Уровень внутривидовой вариабельности нуклеотидных последовательностей среди таксонов подпорядка различен и обусловлен, в основном, точечными заменами. Наименьшая вариабельность характерна для нуклеотидных последовательностей видов из родов Marsupella и Gymnomitrion. Последовательности ITS1 и ITS2 более вариабельны по сравнению с интроном trnL и спейсером между генами trnL и trnF.

9. Установлен высокий уровень полиморфизма размера шпильки Р8 интрона trnL для рода Lophozia s. 1., что свидетельствует о ее малой функциональной нагрузке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Вильнет, Анна Александровна, 2008 год

1. Антонов А.С. Существуют ли молекулярные предпосылки ревизии-филогении и системы высших растений // Журнал общей биологии. 1999. Т. 60. №3. С. 245-276.

2. Антонов А.С. О возможны причиах расхождения взглядов фено- и геносистематиков на филогению и систему высших растений // Ботанический журнал. 2000. Т. 85. № 1. С. 3-11.

3. Антонов А.С. Геносистематика растений. М., 2006. 294 с.

4. Бакалин В.А. Монографическая обработка рода Lophozia (Dum.) Dum. s. str. (Lophoziaceae, Hepaticae). M., 2005. 238 c.

5. Вильнет А.А., Константинова- H.A. О молекулярной филогении семейства Scapaniaceae Mig. (Hepaticae) // Материалы конференции по морфологии и систематике растений, посвященной 300-летию со дня рождения Карла Линнея. Москва, 2007. С. 53-54.

6. Вильнет А.А., Константинова Н.А., Троицкий А.В. К~ молекулярной филогении семейства Gymnomitriaceae Н. Klinggr. (Hepaticae) // Материалы международной конференции «Вычислительная филогенетика и геносистематика» МГУ. Москва, 2007. С. 24-29.

7. Вильнет А.А., Милютина И.А., Константинова Н.А., Игнатов М.С., Троицкий А.В. Филогения рода Lophozia (Dumort.) Dumort. s. str. на основе анализа ядерных и хлоропластных последовательностей, ITS 1-2 и trnL-FIIГенетика. 2007. Т. 43. № 11. С. 1556-1564.

8. Константинова Н.А. Анализ ареалов печеночников севера Голарктики // Arctoa. 2000. Т. 9. С.29-94.

9. Константинова Н.А. Род Tetralophozia (R.M. Schust.) Schljakov (Lophoziaceae, Hepaticae) в России // Arctoa. 2002. Т. 11. C.45-52.

10. Константинова Н.А. Печеночники Керженского заповедника (Нижегородская область, Европейская-часть России) // Arctoa. 2004. Т. 13. С. 89-99.

11. Константинова Н.А. Новый для России род Anastrepta (Lindb.) Schiffn. (Lophoziaceae, Hepaticae) // Бот. журнал. 2007. Т. 92. №12. С. 1934-1938.

12. Константинова Н.А., Потемкин А. Д., Шляков Р.Н. Список печеночников и антоцеротовых территории бывшего СССР// Arctoa. 1992. Т. 1-2. С. 87-127.

13. Ней М., Кумар С. Молекулярная эволюция и филогенетика. Киев: КВ1Ц. 2004.418 с.

14. Потемкин А.Д. Эволюция, филогения и классификация семейства Scapaniaceae (Hepaticae). Автореф. дис. . д-ра биол. наук. С-Пб., 2001.

15. Потемкин А.Д. О систематическом положении и таксономическом статусе родов Schistochilopsis (N. Kitag.) Konstantinova и Obtusifolium S.W. Arnell (Lophoziaceae, Hepaticae) // Новости систематики низших растений. 2005. Т.38. С. 362-365.

16. Потемкин А.Д. Marchantiophyta, Bryophyta, Anthocerotophyta особые пути гаметофитного направления эволюции высших растений //Бот. Журнал. 2007. Т. 92. № 11. С. 1625-1651.

17. Троицкий А.В., Игнатов М.С., Боброва В.К., Милютина И.А. Вклад геносистематики в современное представление о филогении и системе моховидных//Биохимия. 2007. Т. 72. № 12. С. 1690-1704.

18. Шляков Р.Н. Massula (К. Mull.) Schjak.- новый род комплекса Lophozia Dum. s.l. // Нов. сист. низш. раст. 1972. Т. 9. С. 310-318.

19. Шляков Р.Н. Систематичекие заметки по семейству Lophoziaceae Cavers // Нов. сист. низш. раст. 1973. Т. 10. С. 287-302.

20. Шляков Р.Н. Заметки по систематике печеночников (Hepaticae s. str.) // Нов. сист. низш. раст. 1975. Т.12. С.307-317.

21. Шляков Р.Н. Печеночные мхи. Морфология, филогения, классификация. JL, 1975. 148 С.

22. Шляков Р.Н. Новые комбинации и таксоны антоцеротовых и печеночников//Новости сист. низш. раст. 1976. Т. 13. С. 225-229.23