ispltaИзвестия Санкт-Петербургской лесотехнической академииIzvestia Sankt-Peterburgskoj lesotehniceskoj akademii2079-43042658-5871СПбГЛТУ10.21266/2079-4304.2023.246.249-262isplta-101Research ArticleЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВОFORESTRYИзменение генетических параметров плюсового генофонда сосны обыкновенной в Республике Марий Эл под влиянием индивидуального отбора клонов по фенотипуChanges in the genetic parameters of the plus gene pool of Scots pine in Mari El Republic influenced by a single clone selection by phenotypehttps://orcid.org/0000-0002-7507-8588ШейкинаО. В.SheikinaO. V.

ШЕЙКИНА Ольга Викторовна – доцент кафедры лесных культур, селекции и биотехнологии, кандидат сельскохозяйственных наук

424000, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола

Web of Science ResearcherID: AAB-2991-2020

Scopus AuthorID: 57219486493

SHEIKINA Olga V. – PhD (Agriculture), Associate Professor, Department of Forest Crops, Breeding and Biotechnology

424000. Lenin sq. 3. Yoshkar-Ola

Web of Science ResearcherID: AAB-2991-2020

Scopus AuthorID: 57219486493

shejkinaov@volgatech.nethttps://orcid.org/0000-0003-2248-5216РомановЕ. М.RomanovE. M.

РОМАНОВ Евгений Михайлович – профессор кафедры лесных культур, селекции и биотехнологии, доктор сельскохозяйственных наук

424000, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола

Web of Science ResearcherID: F-3433-2014

Scopus AuthorID: 57189906452

ROMANOV Evgenii M. – DSc (Agriculture), Professor, Department of Forest Crops, Breeding and Biotechnology

424000. Lenin sq. 3. Yoshkar-Ola

Web of Science ResearcherID: F-3433-2014

Scopus AuthorID: 57189906452

romanovem@volgatech.netПоволжский государственный технологический университетРоссияVolga State University of TechnologyRussian Federation2023200220240246249262Copyright © Шейкина О.В., Романов Е.М., 20242024Шейкина О.В., Романов Е.М.Sheikina O.V., Romanov E.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestiya-lta.spbftu.ru/jour/article/view/101

Настоящее исследование направлено на оценку риска трансформации генетической структуры и снижения генетического разнообразия при сокращении размера отселектированной популяции вследствие отбора клонов плюсовых деревьев по фенотипическим признакам. На основе анализа фенотипических признаков отобрано по разным направлениям селекции от 8 до 16 лучших клонов. Интенсивность отбора составила 16,3–29,9%, а селекционный дифференциал для разных признаков 108,1–256,6%. Анализ изменения генетических параметров отселектированной популяций выполнен с применением двух типов ДНК-маркеров – nSSR и ISSR. Выявлено существенное изменение частот встречаемости ISSR-маркеров в группах отобранных клонов по сравнению с исходной выборкой. Частоты встречаемости аллелей nSSR-маркеров в целом сохранялись. Показано, что основная угроза сокращения размера отселектированной популяции заключается в потере аллельного разнообразия в случае nSSR-маркеров (15,6–31,3%) и числа ПЦР-фрагментов у ISSR-маркеров (11,8–19,9%). Другие показатели генетического разнообразия, такие как эффективное число аллелей, гетерозиготность и коэффициент инбридинга незначительно зависят от размера отселектированной популяции. Для nSSR-маркеров число эффективных аллелей варьировало в разных группах отселектированных клонов в пределах 2,97–3,77 при исходном значении 3,47, коэффициент инбридинга в пределах 0,460–0,480 при исходном значении 0,503, ожидаемая гетерозиготность в пределах 0,606–0,694 при исходном значении 0,685, а наблюдаемая гетерозиготность в пределах 0,325–0,375 при исходном значении 0,355. Для ISSR-маркеров можно отметить некоторое снижение числа эффективных аллелей вследствие индивидуального отбора с 1,31 до 1,28–1,29, а ожидаемой гетерозиготности с 0,205 до 0,175–0,193. Для обеспечения возможности мониторинга генетической трансформации отселектированной популяций рекомендуется осуществлять генетическую паспортизацию всех отобранных плюсовых деревьев. Для обеспечения возможности отбора на следующем этапе селекции без существенной потери генетического разнообразия необходимо вовлекать в селекционный процесс как можно большее количество плюсовых деревьев.

The current study aims at assessing the risk of transforming the genetic structure and reducing the genetic diversity when the size of the selected population due to the selection of plus tree clones for phenotypic characteristics decrease. From 8 to 16 best clones were sorted out for different areas of selection having analyzed the phenotypic characteristics. The selection intensity was between 6.3–29.9%, while the selection differential was between 108.1–256.6%. Changes in the genetic parameters of selected populations were analyzed with the use of two types of DNA marker, namely nSSR and ISSR. We traced a substantive change in the frequency occurrence of ISSR markers in the groups of selected clones compared with the original sample. The allele frequencies of nSSR markers remained the same. The main threat of reducing the size of the selected population is the loss of allelic diversity in the case of nSSR markers (15.6–31.3%) and the number of PCR fragments in ISSR markers (11.8–19.9%). Other indicators of genetic diversity, such as effective allele number, heterozygosity, and inbreeding coefficient, have minor dependence on the size of the selected population. The number of effective alleles for nSSR markers varied in different groups of selected clones within 2.97–3.77 at an initial value of 3.47, the inbreeding coefficient was within 0.460–0.480 at an initial value of 0.503, and the expected heterozygosity was in the range of 0.325– 0.375 at an initial value of 0.355. We can observe a slight decrease in the number of effective alleles for ISSR markers, due to single selection from 1.31 to 1.28–1.29, and the expected heterozygosity from 0.205 to 0.175–0.193. To enable the monitoring of the genetic transformation of selected populations, we consider it feasible to carry out genetic certification of all selected plus trees. Furthermore, it is necessary to involve as many plus trees as possible in the breeding process while enabling the selection at the next stage of breeding without a crucial loss of genetic diversity.

сосна обыкновеннаяплюсовые деревьяклоныотборnSSR-маркерыISSR-маркерыPinus sylvestrisplus tressclonesselectionnSSR-markersISSR-markersИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-16-00220, https://rscf.ru/project/23-16-00220/ с использованием оборудования ЦКП «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей» Поволжского государственного технологического университета, г. Йошкар-Ола.ReferencesВидякин А.И. Эффективность плюсовой селекции древесных растений // Хвойные бореальной зоны. 2010. Т. 27. № 1–2. С. 18–24.Booy G., Hendriks R.J.J., Smulders M.J.M., Van Groenendael J.M., Vosman B. Genetic diversity and the survival of populations. Plant biology, 2000, no. 2, pp. 379–395. URL: https://doi.org/10.1055/s-2000-5958Ильинов А.А., Раевский Б.В. Генетическое разнообразие деревьев сосны обыкновенной Pinus sylvestris L. различных селекционных категорий в плюсовых насаждениях Карелии // Экологическая генетика. 2021. Т. 19. № 1. С. 23–35. URL: https://doi.org/10.17816/ecogen50176Chudniy A.V. Selection of highly resin-producing pine trees and their use in the creation of plantations for tapping purposes. Thesis of dissertation, Sverdlovsk: ULTI, 1966, 18 p. (In Russ.)Криворотова Т.Н., Прохорова Е.В., Шейкина О.В., Новиков П.С. Оценка клонового потомства плюсовых деревьев сосны обыкновенной на коллекционноматочном участке Республики Марий Эл // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. № 1(39). С. 18–20.Doyle J.J., Doyle J.L. A rapid DNA isolation procedure for small quanti-ties of fresh leaf tissue. Phytochemical Bulletin, 1987, nо. 19, pp. 11–15.Криворотова Т.Н., Шейкина О.В. Генетическая структура лесосеменных плантаций и насаждений сосны обыкновенной в Среднем Поволжье // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. 2014. № 1 (21). С. 77–86.Dzialuk A., Burczyk J. Comparison of genetic diversity of Scots pine (Pi-nus sylvestris L.) from qualified seed – tree stand and clonal seed orchard. Ecological Questions, 2002, no. 2, pp. 89–94.Новиков П.С., Шейкина О.В. ISSR-анализ деревьев сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) различных селекционных категорий // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ). 2012. № 08(82). URL: http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/65.pdfIlinov А.А., Raevskiy B.V. A Comparative assessment of genetic diversity of natural populations and clonal seed orchard of Scots pine and Picea ×fennica in the Republic of Karelia. Ecological genetics, 2015, vol. 13, no. 4, pp. 55–67. (In Russ.)Раевский Б.В., Щурова М.Л. Методика селекционно-генетической оценки клонов сосны обыкновенной на лесосеменных плантациях // Сибирский лесной журнал. 2016. № 5. С. 91–98. URL: https://doi.org/10.15372/SJFS20160509Ilinov A.A., Raevsky B.V. Genetic diversity of scots pine trees of different selection categories in plus stands of Karelia. Ecological genetics, 2021, vol. 19, no. 1, pp. 23–35. URL: https://doi.org/10.17816/ecogen50176 (In Russ.)Раевский Б.В., Игнатенко Р.В., Новичонок Е.В., Прокопюк В.М., Куклина К.К. Современное состояние селекции и семеноводства хвойных пород // ИВУЗ. Лесной журнал. 2022. № 6. С. 9–37. URL: https://doi.org/10.37482/0536-1036-2022-6-9-37Krivorotova T.N., Prochorova E.V., Sheikina O.V., Novikov P.S. Evaluation of clonal progeny of Scots pine plus trees on the collection-brood plot in the Republic of Mari El. Izvestia Orenburg State Agrarian University, 2013, no. 1(39), pp. 18–20. (In Russ.)Чудный А.В. Отбор высокосмолопродуктивных деревьев сосны и их использование при создании насаждений для целей подсочки: автореф. дисс. … канд. с.-х. наук. Свердловск:УЛТИ, 1966. 18 с.Krivorotova T.N., Sheikina O.V. Genetic structure of seed orchads and natural stands of Pinus sylvestris in the Middle Volga Region. Vestnik of Volga State University of Technology. Serija: Forest. Ecology. Nature Management, 2014, no. 1(21), pp. 77–86. (In Russ.)Шейкина О.В., Лебедева Э.П. Опыт создания лесосеменной плантации повышенной генетической ценности в Чувашской Республике // ИВУЗ. Лесной журнал. 2010. № 3. С. 35–40.El-Kassaby Y.A. Domestication and genetic diversity – should we be concerned? The Forestry Chronicle, 1992, vol. 68, no 6, pp. 687–700.Шейкина О.В., Гладков Ю.Ф. Моделирование показателей генетического разнообразия в зависимости от количества плюсовых деревьев сосны обыкновенной // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. 2018. № 1 (37). С. 33–44. URL: https://doi.org/10.15350/2306-2827.2018.1.33Muona O., Harju A. Effective population sizes genetic variability and mating system in natural stands and seed orchards of Pinus sylvestris. Silvae Genetica, 1989, vol. 38, no. 5–6, pp. 221–228.Шигапов З.Х. Сравнительный генетический анализ лесосеменных плантаций и природных популяций сосны обыкновенной // Лесоведение. 1995. № 3. С. 19–24.Novikov P.S., Sheikina O.V. ISSR analysis of Pinus sylvestris trees appurtenant to different selection categories. Polythematic online scientific journal of Kuban State Agrarian University (Scientific Journal of KubSAU), 2012, no. 08(82). URL: http://ej.kubagro.ru/2012/08/ pdf/65.pdf (In Russ.)Booy G., Hendriks R.J.J., Smulders M.J.M., Van Groenendael J.M., Vosman B. Genetic diversity and the survival of populations // Plant biology. 2000. No. 2. P. 379–395. URL: https://doi.org/10.1055/s-2000-5958Peakall R., Smouse P.E. GenAlEx6: Genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research. Molecular Ecology Notes, 2006. no. 6, pp. 288–295. URL: https://doi.org/10.1111/j.1471-8286.2005.01155.xDoyle J.J., Doyle J.L. A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue // Phytochemical Bulletin. 1987. Nо. 19. P. 11–15.Raevsky B.V., Schurova M.L. The method for breeding and genetic assessment of Scotch pine clones at forest seed orchards. Siberian Journal of Forest Science, 2016, no. 5, pp. 91–98. URL: https://doi.org/10.15372/SJFS20160509 (In Russ.)Dzialuk A., Burczyk J. Comparison of genetic diversity of Scots pine (Pinus sylvestris L.) from qualified seed – tree stand and clonal seed orchard // Ecological Questions. 2002. No. 2. P. 89–94.Raevsky B.V., Ignatenko R.V., Novichonok E.V., Prokopiuk V.M., Kuklina K.K. The Current State of Conifer Species Breeding and Seed Production. IVUZ. Forestry Journal, 2022, no. 6, pp. 9–37. URL: https://doi.org/10.37482/0536-1036-2022-6-9-37 (In Russ.)El-Kassaby Y.A. Domestication and genetic diversity – should we be concerned? // The Forestry Chronicle. 1992. Vol. 68, no. 6. P. 687–700.Sheikina О.V., Gladkov Yu.F. Simulation of the indices of genetic diversity depending on the number of plus trees of Scots pine. Vestnik of Volga State University of Technology. Serija: Forest. Ecology. Nature Management, 2018, no. 1(37), pp. 33–44. URL: https://doi.org/10.15350/2306-2827.2018.1.33 (In Russ.)Muona O., Harju A. Effective population sizes genetic variability and mating system in natural stands and seed orchards of Pinus sylvestris // Silvae Genetica. 1989. Vol. 38, no. 5–6. Р. 221–228.Sheikina O.V., Lebedeva E.P. Experience of creating seed orchard plantation of higher genetic value in Chuvash Republic. IVUZ. Forestry Journal, 2010, no. 3, pp. 35–40. (In Russ.)Peakall R., Smouse P.E. GenAlEx6: Genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research // Molecular Ecology Notes. 2006. No. 6. Р. 288–295. URL: https://doi.org/10.1111/j.1471-8286.2005.01155.xShigapov Z.H. A Comparative genetic analysis of forest seed orchards (plantations) and natural populations of Scotch pine (Pinus sylvestris L.). Russian Journal of Forest Science, 1995, no. 3, pp. 19–24. (In Russ.)Vidyakin A.I. Efficiency of plus breeding in woody plants. Conifers of the boreal area, 2010, vol. 27, no.1–2, pp. 18–24. (In Russ.)Vidyakin A.I. Efficiency of plus breeding in woody plants. Conifers of the boreal area, 2010, vol. 27, no.1–2, pp. 18–24. (In Russ.)

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