Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В данном проекте мы исследуем демографические модели пихты сибирской, пихты Семенова и сосны сибирской с помощью оценки параметров демографических событий прошлого на основе данных по изменчивости ядерных микросателлитных локусов. Построение демографических моделей рассматриваемых видов было основано на ряде предпосылок. Для выявления древней миграционной истории мы использовали данные об изменчивости локусов митохондриальной ДНК. Сведения о видовых ареалах прошлого были получены из обзора баз данных пыльцы и макрофоссилий (Binney et al. 2009; 2017). Также мы применили метод максимальной энтропии (MaxEnt) для моделирования распространения видов в прошлые климатические периоды. С помощью данных подходов была проведена формальная валидация ряда моделей демографической истории, чтобы определить наиболее вероятные сценарии и параметры различных демографических событий, такие так возраст ключевых событий дивергенции-гибридизации, эффективная численность популяций, параметры гибридизации и др. Были получены следующие результаты: 1. Генотипированы 1135 особей пяти видов пихт на основе 15-18 ядерных микросателлитных локусов в зависимости от вида. 2. Получены оценки внутривидовой изменчивости. У пихты сибирской среднее число аллелей Na, наблюдаемая и ожидаемая гетерозиготности Ho и He были 5.212, 0.565 и 0.569, соответственно. У пихты Семенова эти параметры были намного меньше: 1.600, 0.054 и 0.097, соответственно, что очевидно отражает длительную изоляцию данного вида от пихты сибирской и малый размер популяции. 3. Исследование структуры изменчивости пихты сибирской с помощью метода STRUCTURE при числе групп K = 5 выявило следующие группы: Алтай, Салаир и Кузнецкий Алатау (i), Южный и Средний Урал (ii), Северный и Приполярный Урал (iii), Прибайкалье и Восточный Саян (iV), Нижний Енисей (v) (Рис. 1). 4. В результате историко-демографического моделирования популяций пихты сибирской на основе генотипических данных по ядерным микросателлитным локусам был выбран наиболее правдоподобный сценарий (включает разделение алтайской и байкальской группировок с дальнейшим отделением от байкальской группировки южноуральской и окончательно – возникновение североуральской группировки как результат смешения мигрантов из байкальской и южноуральской группировок, Рис. 2) и вычислены апостериорные распределения параметров модели: эффективные численности группировок (медиана) варьировали от 3000 на Северном Урале до 15000 на Алтае. Время формирования северо-уральской группировки (медиана) была 34000 лет, предполагая время поколения 100 лет, и коэффицент гибридизации r1 = 0.8, означающий, что Северный Урал в основном был заселен мигрантами с Южного Урала и в меньшей степени мигрантами из Прибайкалья. Группировка юга Урала возникла в результате заселения из Прибайкалья около 90000 л.н., а алтайская и байкальская группировки разошлись около 165000 л.н. 6. Моделирование демографии пихты Семенова дало оценки эффективного размера популяции пихты Семенова и двух южносибирских группировок пихты сибирской (алтайской и байкальской), как 200 особей, 15000 и 10000 особей соответственно. Время разделения пихт Семенова и сибирской, оценено как 1.0 – 2.5 млн. лет. Эти оценки объясняют крайне низкий уровень изменчивости пихты Семенова. Они вполне соответствуют имеющимся представлениям о неуклонном тренде на аридизацию Центральной Азии на протяжении всего плейстоцена, обусловленном как общепланетарными климатическими процессами, так и региональными факторами – продолжающимся ростом горных цепей Центральной Азии – Гималаев, Гиндукуша, Кунь-Луня, Тянь-Шаня (Фортуна и др., 2018; Song et al., 2021). 7. В данном исследовании мы провели комплексную реконструкцию позднечетвертичной истории сосны сибирской. Для этого мы использовали данные генетической изменчивости, палеоботаники и моделирование экологической ниши, чтобы проникнуть в прошлое вида и выявить рефугиумы и пути расселения сосны сибирской со времени последнего межледниковья до голоцена. Всего было изучено 42 естественных популяции сосны сибирской (1130 деревьев), представляющих большую часть ареала вида. Митохондриальная структура изменчивости была выявлена с помощью двух локусов. Демографические сценарии и структуру популяций исследовали с помощью 8 локусов ядерной микросателлитной ДНК. Для палеоботанического обзора использовали опубликованные работы по данным пыльцы и макрофоссилий сосны сибирской с привлечением базы данных Binney et al. (2009; 2017). Экологическое моделирование ареала сосны сибирской проводили в программе MaxEnt 3.4.1 для современности, среднего голоцена (8-4 т. л. н.), последнего ледникового максимума (LGM) (21 т. л. н.) и последнего межледниковья (130 т. л. н.). В ходе исследования было обнаружено, что популяции сосны сибирской из Западного Саяна и Алтая, Восточного Саяна, Кузнецкого Алатау и Урала представляют собой четыре генетически обособленных кластера (Рис. 3, 4), сохранившихся в горных рефугиумах во время последнего ледникового максимума (22 тыс. л. н.). Однако результаты анализа изменчивости митохондриальной и ядерной ДНК показали, что процессы расселения сосны сибирской в последовавшей затем эпохе голоцена (14-0 тыс. л. н.) были неоднородными. Так, популяции кедра из Алтая и Западного Саяна не участвовали в реколонизации Западно-Сибирской равнины, поскольку имели общий митотип, который не встречался за пределами Алтае-Саянской горной страны. Восточные популяции сосны сибирской расселялись в голоцене из Восточного Саяна и/или побережья оз. Байкал. Заселение кедром Западно-Сибирской равнины в голоцене происходило из двух центров ‒ Урала и Кузнецкого Алатау. При этом были сформированы две группы популяций, разделенные примерно по середине Западно-Сибирской равнины. Однако популяции Урала и Кузнецкого Алатау обладают общим митотипом и вероятно дивергировали относительно недавно во времена раннего зырянского (71-57 тыс. л. н.) или/и сартанского оледенений (29-14 тыс. л. н.). Для оценки времени дивергенции было проведено ABC моделирование. Был протестирован наиболее правдоподобный сценарий (Рис. 5), где: t2 – время дивергенции популяций Южной Сибири (Алтай, Кузнецкий Алатау, Восточный Саян); t1 – время отделения уральской группы популяций от группы Кузнецкого Алатау. ABC моделирование оценило t1 в приблизительно 37.8 тыс. л. н. при доверительном интервале оценки в 10-100 тыс. л. н. Оценка в 37.8 тыс. л. н. соответствует концу Каргинского интерстадиала и началу периода сартанского оледенения, но доверительный интервал не исключал возможности первой дивергенции уральского кедра во время раннего зырянского оледенения. Кедр мог проникнуть на Урал из Кузнецкого Алатау во время последнего межледниковья (Казанцевское межледниковье: 130-71 тыс. л.н.). Моделирование экологической ниши и палеоданные указывали на благоприятные условия для сосны сибирской на территории Западной Сибири во время Казанцевского межледниковья. Впоследствии, две последующие дизъюнкции между Уралом и Кузнецким Алатау могли произойти в течение двух последующих оледенений – раннего зырянского (71-57 тыс. л. н.) и сартанского (29-14 тыс. л. н.). По результатам изучения генетической изменчивости и филогеографии P. sibirica была подготовлена статья Denis N. Shuvaev, Vladimir L. Semerikov, Galina V. Kuznetsova, Yulia A. Putintseva “Late Quaternary history of Siberian stone pine revealed by genetic and palaeoecological data” для журнала “Tree Genetics and Genomes” (отправлена в редакцию после major revision).

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1 Было проведено исследование структуры генетической изменчивости 17 ядерных микросателлитных локусов и одного вновь разработанного митохондриального маркера у видов пихт из секции Balsamea русского Дальнего Востока. С помощью метода STRUCTURE была выявлена дифференциация сахалинской пихты Abies sachalinensis на четыре группы в широтном направлении (Рис. 1). Эти группы отличались от популяций континентальной пихты белокорой A. nephrolepis и камчатской пихты A. gracilis. Отмечается присутствие генов A. sachalinensis в популяциях на западном берегу Татарского пролива, что указывает на генетический поток между Сахалином и континентом. 2 Подтвержден полиморфизм двух снипов в митохондриальном геноме у дальневосточных пихт. Один из них дифференцирует пихту сахалинскую на южный и северный кластер, а присутствие южносахалинского митотипа на западной стороне Татарского пролива подтверждает перенос семян через пролив. 3 Демографическое исследование дальневосточных видов, основанное на микросателлитных данных и использующее ABC моделирование, определило наиболее правдоподобный демографический сценарий, согласно которому камчатская пихта A. gracilis отделилась от северосахалинских популяций, а не от A. nephrolepis или южносахалинской A. sachalinensis. Согласно ABC оценкам, разделение предка континентальной A. nephrolepis и предка южной формы A. sachalinensis произошло около 600 тыс. л. н.; A. nephrolepis и северная форма A. sachalinensis разделились около 300 тыс. л.н.; камчатская пихта A. gracilis отделилась от северной формы A. sachalinensis 37 тыс. л.н.; популяции центральной части Сахалина возникли в результате смешения генов северосахалинских и южносахалинских популяций 18 тыс. л.н.; пихта на Курилах и на Хоккайдо отделилась от южносахалинских популяций около 118 тыс. л. н. 4 ABC исследование пихты сибирской с использованием 17 микросателлитных локусов установило, что отделение енисейских популяций пихты сибирской от прибайкальских произошло около 28 тыс. л.н., а гибридное происхождение северо-уральских популяций в результате смешения генов южно-уральских и прибайкальских популяций около 35 тыс. л.н., т.е. около последнего ледникового максимума. 5 Для сосны сибирской разработаны 2 мультиплексных набора ядерных микросателлитных маркеров (20 локусов) для анализа на секвенаторе. 6 Установлено, что на севере Урала популяции сосны сибирской имеют смешанное происхождение от потомков популяций кедра из Кузнецкого Алатау и Среднего Урала. Согласно ABC-моделированию образование смешанных североуральских популяций пришлось на период раннего-среднего голоцена (около 10 тыс. л.н.). Кроме того, увеличенное число микросателлитных локусов (20) и больший самплинг материала еще раз подтвердили полученные ранее датировки по времени отделения популяций сосны сибирской Урала и Кузнецкого Алатау (37-20 тыс. л.н.), которые совпадали со временем резких климатических изменений в период МИС 2 (морская изотопная стадия). 7. В ходе анализа генетической дифференциации по методу STRUCTURE кедра из Среднего Урала, Северного Урала и Предуралья было обнаружено, что популяции Предуралья имеют вторичное смешанное происхождение от популяций кедра Среднего Урала и “admixture”-популяций Северного Урала. Также согласно ABC оценкам возраст события “admixture” для самой западной популяции кедра в Предуралье оценивается в 4 тыс. л. н. 8. Гипотеза о наличии у сосны сибирской енисейского кластера популяций, подобного таковому кластеру у пихты сибирской, не подтвердилась. Кедр, произрастающий на Енисейской равнине и в соседних географических областях (Чулымо-Енисейская котловина, Минусинская котловина, Чулымская равнина), имеет смешанное происхождение от кластеров популяций Западного Саяна и Кузнецкого Алатау. 9. Проверка гибридогенного статуса происхождения популяций сосны сибирской из Западного Саяна с помощью анализа популяционной структуры и моделирование демографических сценариев, как потомков алтайских и восточносаянских популяций установила, что группа популяций кедра из Западного Саяна произошла от алтайских популяций примерно 8 тыс. л.н. Таким образом, смешанный статус популяций кедра из Западного Саяна не подтвердился. Однако популяции кедра Западного Саяна впоследствии испытывали в голоцене, усиливающееся к востоку, влияние потока генов из популяций кедра Восточного Саяна. 10. Результаты исследований в рамках выполнения данного проекта РНФ размещены в сети: https://ipae.uran.ru/node/1295