Cytogenetic Characteristics of Seed Progeny of Scots Pine Plus Tree Clones in Karelia
DOI:
https://doi.org/10.37482/0536-1036-2022-1-9-22Keywords:
Pinus sylvestris, forest seed orchards, chromosomal abnormalities, DNA content, mitosis pathologiesAbstract
The article describes the cytogenetic parameters of seed progeny of Pinus sylvestris plus trees growing in the Petrozavodsk seed orchard of the first order. P. sylvestris normal trees from the natural pine phytocenosis in the Pryazha region (Karelia) were taken as a control. The following indicators were considered: relative DNA content, number of chromosomes, frequency and types of mitosis pathologies at the metaphase, anaphase and telophase stages (in % of the total number of dividing cells at the same stages). It was found that the root meristem of the P. sylvestris seed progeny contains 24 chromosomes in the diploid set. Single aneuploid cells (2n = 23; 2n = 25) were found in the studied plants. The most frequent is monosomy (2n = 23). It made up 81 % of the total number of aneuploid cells. The relative DNA content in the young needles of pine seedlings of plus clones and normal trees was 42.07±0.21 and 42.95±0.04 pg, respectively, and the difference between the two was statistically significant (U-test, p ˂ 0.01). Cytogenetic analysis revealed 7 types of mitosis pathologies: chromosome fragmentation, chromosome bridges, chromosome overlap, isolation of chromosomes and groups of chromosomes, chromosome lagging, multipolar mitosis and complex abnormalities. Chromosome overlap was the most common pathology in the general mitotic disorders spectrum. Comparison of mitosis pathologies in two general samples of normal trees and plus tree clones showed that they significantly differ by the following mitosis abnormalities: overlap and isolation of chromosomes in metaphase, fragmentation, lagging, bridges and multipolar mitosis in the anaphase and telophase. The study shows that the proportion of cells with mitosis abnormalities in the seed progeny of normal trees was about 1.5 times higher than of plus tree clones, and is equal 3.44±0.32 and 2.38±0.14 % (U-test, p = 0.05), respectively. The data obtained demonstrate the cytogenetic stability of the seed progeny of P. sylvestris clones from the Petrozavodsk seed orchard of the first order, which in turn may indicate the high quality of the seed material.
For citation: Ignatenko R.V., Ershova M.A., Galibina N.A., Raevsky B.V. Cytogenetic Characteristics of Seed Progeny of Scots Pine Plus Tree Clones in Karelia. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2022, no. 1, pp. 9–22. DOI: 10.37482/0536-1036-2022-1-9-22
Downloads
References
Аминева Е.Ю. Индивидуальная изменчивость сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) по признаку засухоустойчивости: автореф. дис. …канд. с.-х. наук. Воронеж, 2018. 22 с. Amineva E.Yu. Individual Variability of Scots Pine (Pinus sylvestris L.) by Drought Resistance: Cand. Agric. Sci. Diss. Abs. Voronezh, 2018. 22 p.
Ананьев В.А., Мошников С.А. Структура и динамика лесного фонда республики Карелия // Изв. вузов. лесн. журн. 2016. № 4. C. 19–29. Anan’ev V.A., Moshnikov S.A. Structure and Dynamics of the Forest Reserves of the Republic of Karelia. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2016, no. 4, pp. 19–29. DOI: https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2016.4.19
Буторина А.К., Мозгалина И.Г. Особенности цитогенетических показателей сосны меловой и сосны обыковенной // Экология. 2004. № 3. С. 185–189. Butorina A.K., Mozgalina I.G Specific Cytogenetic Characteristics of Pinus cretaceae and Pinus sylvestris. Ekologia [Russian Journal of Ecology], 2004, no. 3, pp. 185–189. DOI: https://doi.org/10.1023/B:RUSE.0000025965.49968.1f
Буторина А.К., Мурая Л.С., Исаков Ю.Н. Спонтанный мутагенез у сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.). Первый случай обнаружения мутанта с кольцевой и добавочной хромосомами // Докл. Акад. наук СССр. 1979. Т. 248, № 4. С. 977–979. Butorina A.K., Muraya L.S., Isakov Yu.N. Spontaneous Mutagenesis in Scots Pine (Pinus sylvestris L.). The First Case of Mutant Detection with Ring and Additive Chromosomes. Doklady Akademii nauk SSSR, 1979, vol. 248, no. 4, pp. 977–979.
Буторина А.К., Калаев В.Н., Вострикова Т.В., Мягкова О.Е. Цитогенетическая характеристика семенного потомства некоторых видов древесных растений в условиях антропогенного загрязнения г. Воронежа // Цитология. 2000. Т. 42, № 2. С. 196–201. Butorina A.K., Kalayev V.N., Vostrikova T.V., Myagkova O.E. Cytogenetic Characteristics of Seed Progeny of Some Woody Plant Species under Anthropogenic Pollution in Voronezh. Tsitologiya, 2000, vol. 42, no. 2, pp. 196–201.
Буторина А.К., Черкашина О.Н., Ермолаева О.В., Чернодубов А.И., Авдеева И.А. Цитогенетический мониторинг аутохтонных лесов Усманского и Хреновского боров // Изв. рАН. Сер.: Биологическая. 2007. № 4. С. 508–512. Butorina A.K., Cherkashina O.N., Ermolaeva O.V., Chernodubov A.I., Avdeeva I.A. Cytogenetic Monitoring of the Usmansky and Khrenovskoy Autochtonic Pine Stands. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Seriya biologicheskaya [Biology Bulletin], 2007, no. 4, pp. 508–512. DOI: https://doi.org/10.1134/S1062359007040152
Горячкина О.В., Сизых О.А. Цитогенетические реакции хвойных растений в антропогенно нарушенных районах г. Красноярска и его окрестностей // Хвойные бореальной зоны. 2012. Т. 30, № 1-2. С. 46–51. Goryachkina O.V., Sizykh O.A. Cytogenetic Responses of Coniferous Plants in Anthropogenically Disturbed Areas of Krasnoyarsk and Its Surroundings. Hvojnye boreal’noj zony [Conifers of the boreal area], 2012, vol. 30, no. 1-2, pp. 46–51.
Егоркина Г.И., Валетова Е.А. Цитогенетическое изучение сосны обыкновенной в городских лесах г. Бийска // Ползуновский вестн. 2004. № 2. С. 110–115. Egorkina G.I., Valetova E.A. Cytogenetic Study of Scots Pine in Urban Forests of Biysk. Polzunovskiy vestnik, 2004, no. 2, pp. 110–115.
Ивантер Э.В., Коросов А.В. Введение в количественную биологию. Петрозаводск: ПетрГУ, 2011. 304 с. Ivanter E.V., Korosov A.V. Introduction to Quantitative Biology. Petrozavodsk, PetrSU Publ., 2011. 304 p.
Ильинов А.А., Раевский Б.В. Сравнительная оценка генетического разнообразия естественных популяций и клоновых плантаций сосны обыкновенной и ели финской в Карелии // Экол. генетика. 2015. Т. XIII, № 4. С. 55–67. Ilinov A.A., Raevskiy B.V. Genetic Diversity Comparative Evaluation of Pinus sylvestris L. and Picea × Fennica (Regel) Kom. Native Populations and Clonal Seed Orchards in Russian Karelia. Ekologicheskaya genetika [Ecological genetics], 2015, vol. XIII, no. 4, pp. 55–67. DOI: https://doi.org/10.17816/ecogen13455-67
Ильинов А.А., Раевский Б.В. Состояние генофонда сосны обыкновенной Pinus sylvestris L. в Карелии // Сиб. лесн. журн. 2016. № 5. С. 45–54. Ilyinov A.A., Raevsky B.V. The Current State of Pinus sylvestris L. Gene Pool in Karelia. Sibirskij Lesnoj Zurnal [Siberian Journal of Forest Science], 2016, no. 5, pp. 45–54. DOI: https://doi.org/10.15372/SJfS20160504
Ильинов А.А., Раевский Б.В. Использование микросателлитных локусов в изучении плюсового генофонда сосны обыкновенной Pinus sylvestris L. в Карелии // Тр. КарНЦ рАН. 2018. № 6. С. 124–134. Ilinov A.A., Raevsky B.V. Analysis of the Pinus sylvestris L. Plus Tree Gene Pool in Karelia Using Microsatellite Loci. Trudy KarNTs RAN [Transactions of KarRC RAS], 2018, no. 6, pp. 124–134. DOI: https://doi.org/10.17076/eb840
Калаев В.Н., Артюхов В.Г., Попов В.Н., Игнатова И.В. Цитогенетический полиморфизм семенного потомства сосны обыкновенной на востоке Воронежской области // лесоведение. 2010. № 4. С. 56–65. Kalaev V.N., Artyukhov V.G., Popov V.N., Ignatova I.V. Cytogenetic Polymorphism of Pine Seeds in Eastern Voronezh Region. Lesovedenie [Russian Journal of Forest Science], 2010, no. 4, pp. 56–65.
Калашник Н.А. Хромосомные нарушения как индикатор оценки степени техногенного воздействия на хвойные насаждения // Экология. 2008. № 4. С. 276–286. Kalashnik N.A. Chromosome Aberrations as Indicator of Technogenic Impact on Conifer Stands. Ekologia [Russian Journal of Ecology], 2008, no. 4, pp. 276–286. DOI: https://doi.org/10.1134/S106741360804005X
Лаур Н.В., Царев А.П. Лесосеменные плантации Карелии // леса России: политика, промышленность, наука, образование: материалы IV науч.-техн. конф. СПб: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2019. С. 123–126. Laur N.V., Tsarev A.P. Forest Seed Plantations of Karelia. Proceedings of the IV Scientific and Technical Conference “Forests of Russia: Policy, Industry, Science and Education”. Saint Petersburg, POLITEKh-PRESS Publ., 2019, pp.123–126.
Машкина О.С., Калаев В.Н., Мурая Л.С., Леликова Е.С. Цитогенетические реакции семенного потомства сосны обыкновенной на комбинированное антропогенное загрязнение в районе Новолипецкого металлургического комбината // Экол. генетика. 2009. Т. VII, № 3. С. 17–29. Mashkina O.S., Kalaev V.N., Muraya L.S., Lelikova E.S. Cytogenetic Response of Seed Progeny of Scots Pine to Combined Anthropogenic Pollution in the Area of Novolipetsk Metallurgical Combine. Ekologicheskaya genetika [Ecological genetics], 2009, vol. VII, no. 3, pp. 17–29. DOI: https://doi.org/10.17816/ecogen7317-29
Машкина О.С., Тихонова И.В., Муратова Е.Н., Мурая Л.С. Цитогенетические особенности семенного потомства карликовых сосен на юге Восточной Сибири // Хвойные бореальной зоны. 2012. Т. 30, № 1-2. С. 127–135. Mashkina O.S., Tikhonova I.V., Muratova E.N., Muraya L.S. Cytogenetic Features of Seed Progeny of Dwarf Pines in Southern Eastern Siberia. Hvojnye boreal’noj zony [Conifers of the boreal area], 2012, vol. 30, no. 1-2, pp. 127–135.
Милютин Л.И., Муратова Е.Н., Ларионова А.Я. Развитие лесной генетики в России // Сиб. лесн. журн. 2018. № 1. С. 3–15. Milyutin L.I., Muratova E.N., Larionova A.Ya. Development of Forest Genetics in Russia. Sibirskij Lesnoj Zurnal [Siberian Journal of forest Science], 2018, no. 1, pp. 3–15. DOI: https://doi.org/10.15372/SJfS20180101
Муратова Е.Н., Седельникова Т.С. Геномные и хромосомные мутации у сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в экстремальных условиях произрастания // Хвойные бореальной зоны. 2004. Вып. 2. С. 128–140. Muratova E.N., Sedel’nikova T.S. Genome and Chromosomal Mutations in Scots Pine (Pinus sylvestris L.) under Extreme Environmental Conditions. Hvojnye boreal’noj zony [Conifers of the boreal area], 2004, iss. 2, pp. 128–140.
Пардаева Е.Ю., Машкина О.С., Кузнецова Н.Ф. Состояние генеративной сферы сосны обыкновенной как биоиндикатора устойчивости лесов на территории Центрально-Черноземного района в связи с глобальным изменением климата // Тр. СПбНИИЛХ. 2013. № 2. С. 16–21. Pardayeva E.Yu., Mashkina O.S., Kuznetsova N.F. State of Generative Sphere of Scots Pine as a Bioindicator of Forest Stability in the Central Black Earth Region in Connection with Global Climate Change. Trudy Sankt-Peterburgskogo nauchno-issledovatel’skogo instituta lesnogo khozyaystva [Proceedings of the Saint Petersburg Forestry Research Institute], 2013, no. 2, pp. 16–21.
Пардаева Е.Ю., Машкина О.С., Кузнецова Н.Ф., Попов В.Н. Оценка чувствительности цитогенетических показателей к воздействию погодного и техногенного факторов стресса на примере Pinus sylvestris L. // Организация и регуляция физиолого-биохимических процессов. Воронеж: Централ.-чернозем. кн. изд-во, 2013. С. 148–155. Pardayeva E.Yu., Mashkina O.S., Kuznetsova N.F., Popov V.N. Assessment of Sensitivity of Cytogenetic Indices to Weather and Anthropogenic Stress Factors on the Example of Pinus sylvestris L. Organization and Regulation of Physiological and Biochemical Processes. Voronezh, Tsentral’no-chernozemnoye knizhnoye izdatel’stvo, 2013, pp. 148–155.
Плохинский Н.А. Биометрия. М.: МГУ, 1970. 367 с. Plokhinskiy N.A. Biometrics. Moscow, MGU Publ., 1970. 367 p.
Правдин Л.Ф. Сосна обыкновенная. Изменчивость, внутривидовая систематика и селекция. М.: Наука, 1964. 192 с. Pravdin L.F. Scots Pine. Variability, Intraspecific Systematics and Selection. Moscow, Nauka Publ., 1964. 192 p.
Правдин Л.Ф., Бударагин В.А., Круклис М.В., Шершукова О.П. Методика кариологического изучения хвойных пород // лесоведение. 1972. № 2. С. 67–75. Pravdin L.F., Budaragin V.A., Kruklis M.V., Shershukova O.P. Methodology of Karyological Study of Conifers. Lesovedenie [Russian Journal of Forest Science], 1972, no. 2, pp. 67–75.
Пухальский В.А., Соловьев А.А., Бадаева Е.Д., Юрцев В.Н. Практикум по цитологии и цитогенетике растений. М.: КолосC, 2007. 198 с. Pukhal’skiy V.A., Solov’yev A.A., Badayeva E.D., Yurtsev V.N. Workshop on Plant Cytology and Cytogenetics. Moscow, KolosS Publ., 2007. 198 p.
Раевский Б.В. Селекция и семеноводство сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и сосны скрученной (Pinus contorta Dougl. ex Loud. var. latifolia Engelm) на северо-западе таежной зоны россии: автореф. дис. … д-ра с.-х. наук. Петрозаводск, 2015. 43 с. Raevsky B.V. Breeding and Seed Production of Scots Pine (Pinus sylvestris L.) and Twisted Pine (Pinus contorta Dougl. ex Load. var. latifolia Engelm) in the North-West of the Russian Taiga Zone: Dr. Agric. Sci. Diss. Abs. Petrozavodsk, 2015. 43 p.
Раевский Б.В., Щурова М.Л. Методика селекционно-генетической оценки клонов сосны обыкновенной на лесосеменных плантациях // Сиб. лесн. журн. 2016. № 5. C. 91–98. Raevsky B.V., Schurova M.L. The Method for Breeding and Genetic Assessment of Scotch Pine Clones at Forest Seed Orchards. Sibirskij Lesnoj Zurnal [Siberian Journal of Forest Science], 2016, no. 5, pp. 91–98. DOI: https://doi.org/10.15372/SJfS20160509
Раевский Б.В., Куклина К.К., Щурова М.Л. Селекционно-генетическая оценка плюсовых деревьев сосны обыкновенной в Карелии // Тр. КарНЦ рАН. № 3. 2020. С. 45–59. Raevsky B.V., Kuklina K.K., Schurova M.L. Genetic and Breeding Assessment of Scots Pine Plus Trees in Karelia. Trudy KarNTs RAN [Transactions of KarRC RAS], 2020, no. 3, pp. 45–59. DOI: https://doi.org/10.17076/eb1163
Седельникова Т.С. Дифференциация болотных и суходольных популяций видов семейства Pinaceae Lindl. (репродуктивные и кариотипические особенности): автореф. дис. … д-ра биол. наук. Томск., 2008. 35 с. Sedel’nikova T.S. Differentiation of Swamp and Dry Meadow Populations of the Pinaceae Lindl. Family Species. (Reproductive and Karyotypic Features): Dr. Biol. Sci. Diss. Abs. Tomsk, 2008. 35 p.
Седельникова Т.С. Цитогенетический мониторинг хвойных как индикатор уровня экстремальности экосистем // Промышленная ботаника. 2014. Вып. 14. С. 54–60. Sedel’nikova T.S. Cytogenetic Monitoring of Populations of Conifers as an Indicator of Ecosystems Extreme Level. Promy’shlennaya botanika [Industrial Botany], 2014, iss. 14, pp. 54–60.
Скапцов М.В., Смирнов С.В., Куцев М.Г. Содержание ядерной ДНК в некоторых сортах растений, используемых в качестве внешних стандартов в проточной цитометрии // Turczaninowia. 2014. Т. 17, № 3. С. 72–78. Skaptsov M.V., Smirnov S.V., Kutsev M.G. Nuclear DNA Content in Some Plant Kinds Used as an External Standard in Flow Cytometry. Turczaninowia, 2014, vol. 17, no. 3, pp. 72–78. DOI: https://doi.org/10.14258/turczaninowia.17.3.8
Шафикова Л.М., Калашник Н.А. Характеристика кариотипа сосны обыкновенной при промышленном загрязнении // лесоведение. 2000. № 2. С. 30–36. Shafikova L.M., Kalashnik N.A. Characteristics of the Karyotype of Scots Pine under Industrial Pollution. Lesovedenie [Russian Journal of Forest Science], 2000, no. 2, pp. 30–36. DOI: https://doi.org/10.1002/jppr200030136
Bogunic F., Muratovic E., Brown S.C., Siljak-Yakovlev S. Genome Size and Base Composition of Five Pinus Species from the Balkan Region. Plant Cell Reports, 2003, vol. 22, iss. 1, pp. 59–63. DOI: https://doi.org/10.1007/s00299-003-0653-2
Bogunić F., Siljak-Yakovlev S., Muratović E., Pustahija F., Medjedović S. Molecular Cytogenetics and Flow Cytometry Reveal Conserved Genome Organization in Pinus mugo and P. uncinata. Annals of Forest Science, 2011, vol. 68, iss. 1, pp. 179–187. DOI: https://doi.org/10.1007/s13595-011-0019-9
Doležel J., Greilhuber J., Lucretti S., Meister A., Lysák M.A., Nardi L., Obermayer R. Plant Genome Size Estimation by Flow Cytometry: Inter-Laboratory Comparison. Annals of Botany, 1998, vol. 82, iss. suppl_1, pp. 17–26. DOI: https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.aob.a010312
Hizume M. Karyomorphological Studies in the Family Pinaceae. Memoirs of the Faculty of Education, Ehime University. Series III, Natural science, 1988, vol. 8, no. 2, pp. 1–108.
Sedel’nikova T.S., Muratova E.N., Pimenov A.V. Variability of Chromosome Numbers in Gymnosperms. Biology Bulletin Reviews, 2011, vol. 1, iss. 2, pp. 100–109. DOI: https://doi.org/10.1134/S2079086411020083
Valkonen J.P.T., Nygren M., Ylönen A., Mannonen L. Nuclear DNA Content of Pinus sylvestris (L.) as Determined by Laser Flow Cytometry. Genetica, 1994, vol. 92, iss. 3, pp. 203–207. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00132539
