Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Cấu trúc di truyền tỷ lệ nhỏ cao hơn ở các quần thể ngoại vi so với các quần thể trung tâm của một loài thông lâu năm và có hệ thống giao phối hỗn hợp - bách trắng đông (Thuja occidentalis L.)
Tóm tắt
Cấu trúc di truyền tỷ lệ nhỏ (SGS) là một trong những đặc điểm di truyền chủ chốt của các quần thể thực vật. Nhiều quá trình tiến hóa và sinh thái cũng như đặc điểm quần thể ảnh hưởng đến mức độ SGS trong các quần thể thực vật. Có thể mong đợi cấu trúc di truyền tỷ lệ nhỏ cao hơn ở các quần thể ngoại vi so với các quần thể trung tâm của các loài cây rừng lâu năm, do sự khác biệt về cường độ của các lực tiến hóa và sinh thái như dòng gene, trôi gene, kích thước quần thể hiệu quả và hiệu ứng sáng lập. Chúng tôi đã giải quyết câu hỏi này bằng cách sử dụng bách trắng Đông (Thuja occidentalis) như một loài mô hình cho các loài cây lâu năm đang suy giảm đến mức nguy cấp với hệ thống giao phối hỗn hợp. Chúng tôi xác định SGS ở hai quần thể trung tâm và hai quần thể ngoại vi của bách trắng đông từ khu vực phía Đông Canada với việc sử dụng sáu dấu hiệu DNA microsatellite hạt nhân. SGS có ý nghĩa với khoảng cách dao động từ 15 m đến 75 m đã được quan sát thấy ở bốn quần thể đã nghiên cứu. Phân tích bốn quần thể kết hợp cho thấy SGS dương có ý nghĩa lên tới khoảng cách 45 m. Mức SGS dương có ý nghĩa quan sát được ở các quần thể ngoại vi cao gấp sáu lần (lên tới 90 m) so với các quần thể trung tâm (15 m). Các hệ số tương quan không gian và các biểu đồ correlogram của các quần thể đơn lẻ và các tập con của quần thể đã có ý nghĩa thống kê. Mức độ SGS trong quần thể có sự tương quan âm rõ rệt với tất cả các tham số đa dạng di truyền. Sự không đồng nhất đáng kể của SGS trong quần thể đã được quan sát cho khoảng cách 0-15 m và 61-90 m giữa các quần thể trung tâm và ngoại vi. Kích thước Sp trung bình và khoảng cách dòng gene cao hơn ở các quần thể ngoại vi (Sp = 0.023, σg = 135 m) so với các quần thể trung tâm (Sp = 0.014, σg = 109 m). Tuy nhiên, kích thước hàng xóm trung bình cao hơn ở quần thể trung tâm (Nb = 82) so với quần thể ngoại vi (Nb = 48). Các quần thể bách trắng đông có cấu trúc di truyền tỷ lệ nhỏ đáng kể ở khoảng cách ngắn. Các quần thể ngoại vi có cấu trúc di truyền tỷ lệ nhỏ trong quần thể cao gấp nhiều lần so với quần thể trung tâm. Các rối loạn nhân tạo và sự phân mảnh quần thể có thể có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc di truyền tỷ lệ nhỏ ở bách trắng đông. Các quần thể trung tâm có kích thước hàng xóm lớn hơn so với các quần thể ngoại vi, trong khi khoảng cách dòng gene lại lớn hơn ở quần thể ngoại vi so với các quần thể trung tâm. Kết quả của nghiên cứu của chúng tôi góp phần vào kiến thức về cấu trúc di truyền không gian chưa được hiểu rõ giữa các quần thể trung tâm và ngoại vi ở thực vật. Thông tin này cũng có ý nghĩa quan trọng đối với việc bảo tồn nguồn gen của bách trắng đông và có thể của các loài cây rừng lâu năm khác với hệ thống giao phối hỗn hợp.
Từ khóa
#cấu trúc di truyền tỷ lệ nhỏ #bách trắng đông #quần thể ngoại vi #quần thể trung tâm #tiến hóa #sinh tháiTài liệu tham khảo
Aitken SN, Yeaman S, Holliday JA, Wang T, Curtis-McLane S: Adaptation, migration or extirpation: climate change outcomes for tree populations. Evol Appl. 2008, 1: 95-111. 10.1111/j.1752-4571.2007.00013.x.
Eckert CG, Samis KE, Lougheed SC: Genetic variation across species' geographical ranges: the central-marginal hypothesis and beyond. Mol Ecol. 2008, 17: 1170-1188. 10.1111/j.1365-294X.2007.03659.x.
Lesica P, Allendorf FW: When are peripheral populations valuable for conservation?. Conserv Biol. 1995, 9: 753-760. 10.1046/j.1523-1739.1995.09040753.x.
Hampe A, Petit RJ: Conserving biodiversity under climate change: the rear edge matters. Ecol Letters. 2005, 8: 461-467. 10.1111/j.1461-0248.2005.00739.x.
Williams DA, Wang Y, Borchetta M, Gaines MS: Genetic diversity and spatial structure of a keystone species in fragmented pine rockland habitat. Biol Conserv. 2007, 138: 256-268. 10.1016/j.biocon.2007.04.024.
Born C, Hardy OJ, Chevalier MH, Ossari S, Attéke EJW, Hossaert-Mckey M: Small-scale spatial genetic structure in the central African rainforest tree species Aucoumea klaineana: a stepwise approach to infer the impact of limited gene dispersal, population history and habitat fragmentation. Mol Ecol. 2008, 17: 2041-2050. 10.1111/j.1365-294X.2007.03685.x.
De-Lucas AI, Gonza'lez-Marti'nez SC, Vendramin GG, Hidalgo E, Heuertz M: Spatial genetic structure in continuous and fragmented populations of Pinus pinaster Aiton. Mol Ecol. 2009, 18: 4564-4576. 10.1111/j.1365-294X.2009.04372.x.
Gapare WJ, Aitken SN: Strong spatial genetic structure in peripheral but not core populations of Sitka spruce [Picea sitchensis (Bong.) Carr.]. Mol Ecol. 2005, 14: 2659-2667. 10.1111/j.1365-294X.2005.02633.x.
Jain SK: Population structure and the effects of breeding system. Plant Genetic Resources: Today and Tomorrow. Edited by: Frankel O, Hawkes JG. 1975, Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK, 15-36.
Loveless MD, Hamrick JL: Ecological determinants of genetic structure in plant populations. Ann Rev Ecol Syst. 1984, 15: 65-95. 10.1146/annurev.es.15.110184.000433.
Hamrick JL, Nason JD: Consequence of dispersal in plants. Population Dynamics in Ecological Space and Time. Edited by: Rhodes OE, Ronald KC, Smith MH. 1996, The University of Chicago Press, Chicago, USA, 203-235.
Smouse PE, Peakall R: Spatial autocorrelation analysis of individual multiallele and multilocus genetic structure. Heredity. 1999, 82: 561-573. 10.1038/sj.hdy.6885180.
Kalisz S, Nason JD, Hanzawa FM, Tonsor SJ: Spatial population genetic structure in Trillium grandiflorum: the roles of dispersal, mating, history and selection. Evol Biol. 2001, 55: 1560-1568.
Young AG, Merriam HG: Effects of forest fragmentation on the spatial genetic structure of Acer saccharum Marsh (sugar maple) populations. Heredity. 1994, 72: 201-208. 10.1038/hdy.1994.27.
Jump AS, Peñuelas J: Genetic effects of chronic habitat fragmentation in a wind-pollinated tree. Proc Natl Acad Sci. 2006, 103: 8096-8100. 10.1073/pnas.0510127103.
Epperson BK: Plant dispersal, neighbourhood size and isolation by distance. Mol Ecol. 2007, 16: 3854-3865. 10.1111/j.1365-294X.2007.03434.x.
Troupin D, Nathan R, Vendramin GG: Analysis of spatial genetic structure in an expanding Pinus halepensis population reveals development of fine-scale genetic clustering over time. Mol Ecol. 2006, 15: 3617-3630. 10.1111/j.1365-294X.2006.03047.x.
Wright S: Isolation by distance. Genetics. 1943, 28: 114-138.
Reusch TBH, Hukriede W, Stam WT, Olsen JL: Differentiating between clonal growth and limited gene flow using spatial autocorrelation of microsatellites. Heredity. 1999, 83: 120-126. 10.1046/j.1365-2540.1999.00546.x.
Vekemans X, Hardy OJ: New insights from fine-scale spatial genetic structure analyses in plant populations. Mol Ecol. 2004, 13: 921-934. 10.1046/j.1365-294X.2004.02076.x.
Boyle TJB, Liengsiri C, Piewluang C: Genetic structure of black spruce on two contrasting sites. Heredity. 1990, 65: 393-399. 10.1038/hdy.1990.109.
Epperson BK, Allard RW: Spatial autocorrelation analysis of the distribution of genotypes within populations of lodgepole pine. Genetics. 1989, 121: 369-377.
Knowles P: Spatial genetic structure within two natural stands of black spruce (Picea mariana (Mill.) B. S. P.). Silvae Genet. 1991, 40: 13-19.
Knowles P, Perry DJ, Foster HA: Spatial genetic structure in two tamarack (Larix laricina (Du Roi) K. Koch) populations with differing establishment histories. Evolution. 1992, 46: 572-576. 10.2307/2409875.
Xie CY, Knowles P: Spatial genetic substructure within natural populations of jack pine (Pinus banksiana). Can J Bot. 1991, 69: 547-551. 10.1139/b91-074.
Leonardi S, Raddi S, Borghetti M: Spatial autocorrelation of allozyme traits in a Norway spruce (Picea abies) population. Can J For Res. 1996, 26: 63-71. 10.1139/x26-007.
Epperson BK, Chung MG: Spatial genetic structure of allozyme polymorphisms within populations of Pinus strobus (Pinaceae). Am J Bot. 2001, 88: 1006-1010. 10.2307/2657081.
Parker KC, Hamrick JL, Parker AJ, Nason JD: Fine-scale genetic structure in Pinus clausa (Pinaceae) populations: effects of disturbance history. Heredity. 2001, 87: 99-113. 10.1046/j.1365-2540.2001.00914.x.
Bucci G, Menozzi P: Spatial autocorrelation and linkage of Mendelian RAPD markers in a population of Picea abies Karst. Mol Ecol. 2002, 11: 305-315. 10.1046/j.1365-294X.2002.01444.x.
González-Martínez SC, Gerber S, Cervera MT, Martínez-Zapater JM, Gil L, Alía R: Seed gene flow and fine-scale structure in a Mediterranean pine (Pinus pinaster Ait.) using nuclear microsatellite markers. Theor Appl Genet. 2002, 104: 1290-1297. 10.1007/s00122-002-0894-4.
Marquardt PE, Epperson BK: Spatial and population genetic structure of microsatellites in white pine. Mol Ecol. 2004, 13: 3305-3315. 10.1111/j.1365-294X.2004.02341.x.
Takahashi T, Tani N, Niiyama K, Yoshida S, Taira H, Tsumura Y: Genetic succession and spatial genetic structure in a natural old growth Cryptomeria japonica forest revealed by nuclear and chloroplast microsatellite markers. For Ecol Manage. 2008, 255: 2820-2828. 10.1016/j.foreco.2008.01.055.
Newell RE: Provincial (Nova Scotia) Status report on northern white cedar Thuja occidentalis prepared for the Nova Scotia Department of Natural Resources. 2005
Jhonston WF: Thuja occidentalis L.: northern white cedar. Silvics of North America. 1. Conifers. Edited by: Burns RM, Honkala BH. 1990, US Department of Agriculture Forest Service Handbook 654, Washington DC, USA, 580-589.
Bentley PA, Smith EC: A study of northern white cedar and jack pine in Nova Scotia. Proc NS Inst Sci. 1959, 24: 376-398.
Xie CY, Dancik BP, Yeh FC: The mating system in natural populations of Thuja orientalis. Can J For Res. 1991, 21: 333-339. 10.1139/x91-041.
Xie CY, Dancik BP, Yeh FC: Genetic structure of Thuja orientalis. Biochem Syst Ecol. 1992, 20: 433-441. 10.1016/0305-1978(92)90083-P.
El-Kassaby YA, Russell J, Ritland K: Mixed mating in an experimental populations of western red cedar, Thuja plicata. J Hered. 1994, 85: 227-231.
Perry DJ, Knowles P, Yeh FC: Allozyme variation of Thuja occidentalis L. in Northwestern Ontario. Biochem Syst Ecol. 1990, 18: 111-115. 10.1016/0305-1978(90)90045-H.
Matthes-Sears U, Mattes-Sears SC, Larson DW: Sources of allozymic variation in Thuja occidentalis in southern Ontario, Canada. Silvae Genet. 1991, 40: 100-105.
Lamy S, Bouchard A, Simon J-P: Genetic structure, variability and mating system in eastern white cedar (Thuja occidentalis) populations of recent origin in an agricultural landscape in southern Québec. Can J For Res. 1999, 29: 1383-1392.
Perry DJ, Knowles P: Evidence of high self-fertilization in natural populations of eastern white cedar (Thuja occidentalis). Can J Bot. 1990, 68: 663-668. 10.1139/b90-086.
O'Connell LM, Ritland K, Thompson SL: Patterns of post-glacial colonization by western redcedar (Thuja plicata, Cupressaceae) as revealed by microsatellite markers. Botany. 2008, 86: 194-203. 10.1139/B07-124.
O'Connell LM, Ritland CE: Characterization of microsatellite loci in western red cedar (Thuja plicata). Mol Ecol. 2001, 9: 1920-1922.
White E, Hunter J, Dubetz C, Brost R, Bratton A, Edes S, Sahota R: Microsatellite markers for individual tree genotyping: application in forest crime prosecutions. J Chem Tech Biotech. 2000, 70: 923-926.
Nakao Y, Iwata H, Matsumoto A, Tsumura Y, Tomaru N: Highly polymorphic microsatellite markers in Chamaecyparis obtusa. Can J For Res. 2001, 31: 2248-2251. 10.1139/x01-145.
Peakall R, Smouse PE: GENALEX 6: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research. Mol Ecol Notes. 2006, 6: 288-295. 10.1111/j.1471-8286.2005.01155.x.
Gaudet J: FSTAT version 1.2: a computer program to calculate F-statistics. J Hered. 1995, 86: 485-486.
Rajora OP, Rahman MH, Buchert GP, Danick BP: Microsatellite DNA analysis of genetic effects of harvesting in old-growth eastern white pine (Pinus storbus) in Ontario. Mol Ecol. 2000, 9: 339-348. 10.1046/j.1365-294x.2000.00886.x.
Raymond M, Rousset F: GENEPOP version 1.2: population genetics software for the exact tests and ecumenicism. J Hered. 1995, 86: 248-249.
Beerli P, Felsenstein J: Maximum likelihood estimation of migration rates and population numbers of two populations using a coalescent approach. Genetics. 1999, 152: 763-773.
Ripley BD: The second-order analysis of stationary point processes. J Appl Prob. 1976, 13: 255-266. 10.2307/3212829.
Ripley BD: Modelling spatial patterns. J R Stat Soc. 1977, B39: 172-212.
Perry GLW: SpPack: spatial point pattern analysis in Excel using Visual Basic for Applications (VBA). Environ Model Soft. 2004, 19: 559-569. 10.1016/j.envsoft.2003.07.004.
Oddou-Muratorio S, Demesure-Musch B, Pelissier R, Gouyon PH: Impacts of gene flow and logging history on the local genetic structure of a scattered tree species, Sorbus torminalis L. Crantz. Mol Ecol. 2004, 13: 3689-3702. 10.1111/j.1365-294X.2004.02373.x.
Smouse PE, Peakall R, Gonzales E: A heterogeneity test for fine-scale genetic structure. Mol Ecol. 2008, 17: 3389-3400. 10.1111/j.1365-294X.2008.03839.x.
Loiselle BA, Sork VL, Nason J, Graham C: Spatial genetic-structure of a tropical understory shrub, Psychotria officinalis (Rubiaceae). Am J Bot. 1995, 82: 1420-1459. 10.2307/2445869.
Hardy OJ, Vekemans X: SPAGEDi: a versatile computer program to analyse spatial genetic structure at the individual or population levels. Mol Ecol Notes. 2002, 2: 618-620. 10.1046/j.1471-8286.2002.00305.x.
Pandey M, Rajora OP: Genetic diversity and differentiation of core versus peripheral populations of eastern white cedar, Thuja occidentalis L. (Cupressaceae). Am J Botany. 2012, 99: 690-699. 10.3732/ajb.1100116.
Knowles P, Furnier GR, Aleksiuk MA, Perry DJ: Significant levels of self-fertilization in natural populations of tamarack. Can J Bot. 1987, 65: 1087-1091. 10.1139/b87-151.
Levin DA, Kerster HW: Gene flow in seed plants. In Evolutionary Biology 7. Edited by: Dobzhansky T, Hecht MT, Steere WC. 1974, New York: Plenum Press, 139-220.
Schuster WSF, Mitton JB: Paternity and gene dispersal in limber pine (Pinus flexilis James). Heredity. 2000, 84: 348-361. 10.1046/j.1365-2540.2000.00684.x.
Fowells HA: Silvics of forest trees of the United States. U. S. Department of Agriculture. 1965, Agriculture Handbook 271
De Blois S, Bouchard A: Dynamics of Thuja occidentalis in an agricultural landscape of southern Quebec. J Veg Sci. 1995, 6: 531-542. 10.2307/3236352.
Chung MG, Epperson BK: Clonal and spatial genetic structure in Eurya emarginata (Theaceae). Heredity. 2000, 84: 170-177. 10.1046/j.1365-2540.2000.00644.x.
Parker KC, Parker AJ, Beaty M, Fuller MM, Faust TD: Population structure and spatial pattern of two coastal populations of Ocala sand pine (Pinus clausa (Chapm. ex Engelm.) Vasey ex Sarg. var. clausa D. B. Ward). J Torr Bot Soc. 1997, 124: 22-33. 10.2307/2996595.
Trabaud L, Michels C, Grosman J: Recovery of burnt Pinus halepensis Mill. forests. II. Pine reconstitution after wildfire. For Ecol Manage. 1985, 113: 67-179.
McCullough DG, Werner RA, Neumann D: Fire and insects in northern and boreal forest ecosystems of North America. Ann Rev Entomol. 1998, 43: 107-127. 10.1146/annurev.ento.43.1.107.
O'Connell L, Mosseler A, Rajora OP: Extensive long-distance pollen dispersal in a fragmented landscape maintains genetic diversity in white spruce. J Heredity. 2007, 98: 640-645. 10.1093/jhered/esm089.