Scientific journal

Scientific Review. Biological science

ISSN 2500-3399

ПИ №ФС77-57454

Введение

Экологические факторы (высота над уровнем моря, температура воздуха, количество осадков и др.) оказывают существенное влияние на морфологические признаки популяций растений. Вдоль высотных и климатических градиентов у растений происходят клинальные изменения в строении листьев, стеблей и цветков, что хорошо задокументировано и отражает адаптации на уровне вида и фенотипическую пластичность. В качестве общих тенденций отмечается, что температурные и влажностные факторы связаны с изменениями размеров листьев, плотности устьиц, ветвления стебля и структуры соцветий [1].

Предыдущие исследования рода Ziziphora также показали, что морфологическая изменчивость внутри популяций связана с экологическими условиями. Так, морфологические анализы Ziziphora clinopodioides и родственных видов показали, что морфологическая дифференциация между популяциями часто соответствует местным экологическим условиям, включая высотные и микроклиматические различия [2].

Ziziphora tenuior также характеризуется рядом специфических особенностей, проявляя химическую (эфирные масла) и морфологическую изменчивость. В нескольких исследованиях показано, что состав и количество эфирных масел в популяциях Z. tenuior варьируют в зависимости от региональных различий, что вместе с морфологическими и микроморфологическими признаками может служить индикатором экологических адаптаций [3].

В условиях глобального изменения климата такие факторы, как засуха, засоление, высокая температура и окислительный стресс, оказывают сильное влияние на выживание и распространение растительных популяций [4, 5]. В связи с этим изучение механизмов устойчивости растений к стрессам на молекулярном уровне, выявление адаптивных генетических маркеров и оценка разнообразия популяций стали ключевыми направлениями современной экологии, ботаники и геномики.

Ziziphora tenuior L. (Lamiaceae) – лекарственное растение, богатое эфирными маслами, широко распространенное в Центральной Азии и используемое в народной медицине в качестве седативного, антисептического и противовоспалительного средства [6]. Данный вид обычно встречается в полупустынных и аридных районах, что указывает на его естественную устойчивость к различным стрессовым факторам. Однако распределение генов, связанных со стрессоустойчивостью, и их молекулярные механизмы на популяционном уровне остаются недостаточно изученными.

Пластидные гены, связанные с фотосинтетическим аппаратом, в частности ген matK, характеризуются высокой скоростью мутаций и широко используются в качестве маркеров в филогенетических и популяционных исследованиях [7]. В связи с этим анализ последовательностей matK у популяций Ziziphora tenuior важен для оценки их филогенетических взаимоотношений и генетического разнообразия.

Кроме того, наличие генов, отвечающих за стрессовые реакции, играет ключевую роль в понимании адаптивных стратегий популяций. Так, CSP3 участвует в формировании холодоустойчивости; CYP707A задействован в адаптации к засухе и засолению посредством катаболизма абсцизовой кислоты; GST и CAT функционируют в системе антиоксидантной защиты; NHX2 регулирует ионный гомеостаз; а PP2C и SAPK2 являются ключевыми компонентами сигнальных путей, связанных с абиотическим стрессом [8].

Цель исследования – системный анализ взаимосвязей между основными экологическими факторами, такими как высота над уровнем моря, среднегодовая температура и количество осадков, и морфологическими признаками (ветвление стебля, размер листьев, окраска цветков и плотность соцветий) у девяти изученных популяций Z. tenuior.

Наша гипотеза заключается в том, что экологические градиенты (в особенности высота над уровнем моря и количество осадков) приводят к клинальным изменениям морфологических фенотипов; например, в сухих и теплых местообитаниях листья могут уменьшаться в размерах или увядать, а степень ветвления увеличиваться, тогда как во влажных и холодных условиях могут наблюдаться специфические тенденции в изменении размеров листьев, окраски цветков или плотности соцветий.

Материалы и методы исследования

Были изучены девять природных популяций Z. tenuior, распространенных на территории Узбекистана. Они расположены от Ферганской долины (север) до районов Байсун и Гузар (юг) и характеризуются значительными экологическими различиями по высоте над уровнем моря, среднегодовой температуре и количеству осадков (таблица).

Результаты исследования и их обсуждение

Диапазон высот. Изученные популяции распространены на высотах от 738 м (Z1, Фергана) до 1346 м (Z4, Чодак), при среднем значении высоты 995,7 м. Популяции, расположенные на более низких высотах (например, Z1 – Фергана, Z3 – Гузар, Z8 – Тангимуш), развиваются в теплых и засушливых условиях, тогда как популяции высокогорных районов (Z4 – Чодак, Z5 – Хумсон, Z6 – Заркенд) – в относительно более холодной и влажной среде.

Температурный градиент. Среднегодовая температура в изученных популяциях варьировала от 10,11 °C (Z5, Хумсон) до 16,24 °C (Z8, Тангимуш), при общем среднем значении 13,1 °C. Между высотой над уровнем моря и температурой выявлена выраженная отрицательная корреляция (r = –0,64), что подтверждает снижение температуры с увеличением высоты.

Некоторые экологические характеристики местообитаний девяти популяций Ziziphora tenuior L.

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.

Наиболее теплые условия отмечены в южных равнинных популяциях (Z3, Z8, Z9), тогда как самые холодные условия характерны для северных горных популяций (Z5, Z6).

Градиент осадков. Среднегодовое количество осадков в изученных популяциях варьировало от 294 мм (Z1, Фергана) до 797 мм (Z5, Хумсон), при среднем значении 406,6 мм. Большинство популяций произрастают в полуаридных условиях (320–389 мм), тогда как популяция Z5 существенно выделяется почти двукратным увеличением количества осадков. Между высотой над уровнем моря и количеством осадков выявлена слабая положительная корреляция (r = +0,30), тогда как между температурой и осадками установлена умеренная отрицательная корреляция (r = –0,51).

Различия между популяциями. Популяция Z1 (Фергана, 738 м) расположена на наименьшей высоте и характеризуется наиболее сухими и теплыми условиями. Популяция Z8 (Тангимуш, 805 м) отличается самой высокой среднегодовой температурой (16,24 °C), что типично для сухой и теплой среды. Популяция Z4 (Чодак, 1346 м) приурочена к наибольшей высоте и характеризуется пониженной температурой (12,08 °C) и умеренным количеством осадков (368 мм). Популяция Z5 (Хумсон, 1087 м) резко отличается от остальных: для нее характерны очень высокое количество осадков (797 мм) и самая низкая температура (10,11 °C), что отражает уникальные микроклиматические условия. Популяции Z2 (Байсун), Z3 (Гузар), Z6 (Заркент), Z7 (Хайотсой) и Z9 (Боботогʻ) занимают промежуточные высоты и характеризуются относительно сходными значениями температуры (11,4–15,6 °C) и осадков (356–389 мм).

В целом полученные результаты свидетельствуют о том, что высота над уровнем моря оказывает существенное влияние на климатические условия произрастания популяций Z. tenuior. Изученные популяции отличаются высокой экологической неоднородностью и охватывают спектр условий от теплых и засушливых равнин до холодных и влажных горных склонов. В частности, популяции Z1, Z5 и Z8 представляют собой экологически «экстремальные» варианты и могут отличаться от остальных популяций по уровню фенотипических или генетических адаптаций (рис. 1).

Морфологические наблюдения девяти популяций Ziziphora tenuior выявили значительные различия во внешних признаках, соответствующие экологическим условиям произрастания. Популяция Z1 (Фергана) отличается сильным ветвлением, большим числом боковых побегов, мелкими и густо расположенными листьями и стелющимся габитусом, близким к поверхности почвы. Популяция Z2 (Байсун) характеризуется прямостоячим и компактным стеблем, толстыми и прямыми листьями, фиолетовыми цветками и плотным соцветием. Популяция Z3 (Гузар) сходна с Z2, но менее ветвистая; листья у нее несколько удлиненные, цветки фиолетовые, что отражает адаптацию к засушливым условиям. Популяция Z4 (Чодак) произрастает на каменистых склонах и имеет прямостоячий стебель, более тонкие листья, фиолетовые цветки и более разреженное соцветие. Популяция Z5 (Хумсон) является наиболее морфологически отличающейся и характеризуется белыми цветками, более широкими листьями и компактным стеблем. Популяция Z6 (Заркент) отличается вытянутым и тонким стеблем, узкими и длинными листьями, а также длинным и плотным соцветием. Популяция Z7 (Хайотсой) имеет прямостоячий стебель, разделенный на две основные ветви, с мелкими и редко расположенными листьями. Популяция Z8 (Тангимуш) характеризуется плотным соцветием, фиолетовыми цветками и подсыханием листьев, вероятно обусловленным сухими и теплыми условиями среды.

В ходе исследования были проведены морфологические сравнения девяти популяций Z. tenuior, между ними были выявлены выраженные различия во внешнем облике растений (рис. 2).

Популяция Z9 (Боботог) характеризуется компактным стеблем, более широкими темно-зелеными листьями и плотным соцветием с фиолетовыми цветками.

Рис. 1. Взаимосвязи между экологическими факторами: высотой над уровнем моря, температурой и количеством осадков Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Рис. 2. Сравнение основных морфологических признаков девяти популяций Ziziphora tenuior Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Выраженные различия между популяциями включают сильное ветвление у Z1, белую окраску цветков у Z5, вытянутый стебель у Z6 и подсыхание листьев у Z8. Для большинства остальных популяций характерны фиолетовые цветки, однако также отмечены различия в форме стебля, размере листьев и плотности соцветий. Экологические условия, по-видимому, существенно влияют на формирование этих морфологических признаков: во влажных условиях (Z5, Хумсон, 797 мм осадков) отмечаются белые цветки и более широкие листья; сухие и теплые условия (Z8, Тангимуш, 16,2 °C, 320 мм осадков) соответствуют подсыханию листьев и плотным соцветиям; низкое количество осадков (Z1, Фергана, 294 мм) связано с сильным ветвлением, возможно как стратегией увеличения площади поверхности для эффективного водообеспечения; а высокогорные условия (Z6, Заркент, 1166 м) ассоциируются с вытянутыми соцветиями и узкими листьями.

В этом контексте в настоящем исследовании были секвенированы последовательности гена matK у девяти популяций Ziziphora tenuior, а также с использованием электрофореза изучено наличие 16 генов стрессового ответа. Такой подход позволяет получить ценную информацию для оценки генетического и функционального разнообразия популяций Z. tenuior и для более глубокого понимания механизмов их устойчивости к стрессовым факторам.

Генетическая изменчивость гена matK у популяций Ziziphora tenuior. Ген matK был успешно амплифицирован у всех девяти популяций Z. tenuior, и был секвенирован фрагмент длиной 671 п.н. (табл. X). Сравнение полученных последовательностей показало, что восемь популяций (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z8 и Z9) обладали идентичными последовательностями matK, что свидетельствует о высокой консервативности данного пластидного маркера. Лишь популяция Хайотсой (Z7) продемонстрировала наличие однонуклеотидного полиморфизма (SNP) в позиции 517 (рис. 3).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что ген matK у популяций Z. tenuior является высоко консервативным и характеризуется крайне низким уровнем последовательностной изменчивости.

Рис. 3. Сравнительный анализ последовательностей гена matK у различных популяций Ziziphora tenuior L. Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Рис. 4. Результаты гель-электрофореза генов стрессового ответа у девяти популяций (Z1–Z9) Ziziphora tenuior. Обнаруженные гены обозначены красными цифрами Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

В то же время единственный SNP, выявленный в популяции Z7 (Хайотсой), формирует уникальный гаплотип, отличающий ее от остальных популяций. В целом среди девяти изученных популяций было выявлено два гаплотипа: основной гаплотип, присутствующий в восьми популяциях, и уникальный гаплотип, обнаруженный исключительно в популяции Хайотсой.

Изученные популяции распространены в различных экологических условиях Узбекистана, при высотах от 738 м (Фергана, Z1) до 1346 м (Чодак, Z4). Среднегодовая температура варьирует от 10,11 °C (Хумсон, Z5) до 16,24 °C (Тангимуш, Z8), а годовое количество осадков – от 294 мм (Фергана, Z1) до 797 мм (Хумсон, Z5). Несмотря на различия по высоте и климатическим условиям, последовательность гена matK остается практически идентичной у большинства популяций. Лишь популяция Z7 (Хайотсой: 1098 м, 11,40 °C, 378 мм) обладает уникальным однонуклеотидным полиморфизмом (SNP).

Это свидетельствует о том, что экологические градиенты в пределах ареала Z. tenuior оказывают незначительное влияние на изменчивость гена matK. Уникальный гаплотип, выявленный в популяции Хайотсой, может отражать локальную адаптацию либо быть результатом случайной мутации. Данный гаплотип может представлять собой важный маркер для последующих филогеографических исследований этого вида.

Также было проанализировано распределение генов, отвечающих за стрессовые реакции, в различных популяциях. Каждая популяция характеризуется собственным генетическим профилем, что указывает на различный потенциал адаптации к тем или иным абиотическим стрессам (рис. 4, 5).

Популяция Z1 характеризовалась наличием исключительно гена NHX2 (268). Данный ген играет ключевую роль в формировании солеустойчивости и поддержании ионного гомеостаза, что указывает на преимущественную адаптацию популяции Z1 к условиям засоленных почв. Популяция Z2 отличалась более широким генетическим составом: у нее были выявлены гены PYL4 (278), NCED2 (267), GR (263) и NHX2 (268). Данное сочетание свидетельствует о наличии выраженных и комплексных защитных механизмов, направленных на устойчивость к засухе и засолению. Популяция Z3 содержала только ген холодоустойчивости CSP3 (253), что указывает на возможную адаптацию данной популяции к условиям пониженных температур. В популяции Z4 были выявлены гены CYP707A (254), PYL4 (278) и PP2C78 (275), что отражает значительный адаптивный потенциал к стрессам, связанным с засухой и засолением. В популяции Z5 гены стрессового ответа выявлены не были, что позволяет предположить значительно более низкий уровень устойчивости данной популяции по сравнению с другими изученными популяциями. Популяция Z6 характеризовалась наличием гена POD1 (273), который способствует повышению засухоустойчивости за счет снижения окислительного стресса посредством пероксидазной активности.

Рис. 5. Распределение генов стрессового ответа в популяциях Ziziphora tenuior Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Популяция Z7 продемонстрировала наибольшее генетическое разнообразие: в ней было выявлено в общей сложности 12 генов (CYP707A, GST, PYL4, BCH, NCED1, NCED2, POD1, POD2, GR, NHX2, PP2C78, PP2C8). Это указывает на наличие мощных защитных механизмов, обеспечивающих устойчивость к засухе, засолению и другим абиотическим стрессовым факторам. В популяциях Z8 и Z9 гены стрессового ответа обнаружены не были, что позволяет предположить относительно низкую способность этих популяций противостоять воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды. Полученные результаты демонстрируют мозаичный характер распределения генов стрессового ответа среди популяций Z. tenuior. Некоторые популяции (Z2 и Z7) обладают широким генетическим адаптивным потенциалом, тогда как другие (Z5, Z8, Z9) являются более уязвимыми к экологическим стрессовым факторам. Эти различия указывают на то, что региональные экологические условия непосредственно влияют на формирование генетических механизмов адаптации.

Полученные данные выявили выраженную мозаичность распределения генов стрессового ответа у Ziziphora tenuior, что отражает высокую степень популяционной адаптации к локальным экологическим условиям. Подобная гетерогенность согласуется с этноботаническими и эколого-географическими обзорами рода Ziziphora, в которых подчеркивается его экологическая пластичность и способность к выживанию в засушливых, засоленных и горных местообитаниях [9, 10]. Популяции Z2 и Z7, характеризующиеся наибольшим числом генов, связанных с засухо-, соле- и окислительным стрессом, обладают повышенным адаптивным потенциалом. Это может объяснять устойчивость вторичного метаболизма и высокую биологическую активность Z. tenuior, ранее отмеченные в химических и фармакологических исследованиях [11–13]. Напротив, популяции Z5, Z8 и Z9, в которых гены стрессового ответа не выявлены, потенциально более уязвимы к воздействию неблагоприятных факторов среды, что важно учитывать при разработке мер охраны и устойчивого использования вида [11, 14]. Выявленные различия дополняют данные филогенетических исследований на основе хлоропластных геномов, показавших генетическую структурированность видов Ziziphora в регионе [15]. В совокупности эти результаты подчеркивают, что адаптация Z. tenuior формируется под влиянием как исторических, так и современных экологических факторов.

В дальнейшем необходимо объединять популяционную генетику с экологическими и фитохимическими исследованиями для оценки функциональной роли генов стрессового ответа и их связи с биологической активностью растения. Такой интегративный подход позволит более эффективно разрабатывать стратегии сохранения, рационального использования и возможной культивации Ziziphora tenuior в условиях усиливающихся климатических стрессов [15, 16].

Заключение

Проведенное исследование показало, что экологические градиенты, прежде всего высота над уровнем моря, температура и количество осадков, существенно влияют на морфологические признаки популяций Ziziphora tenuior на территории Узбекистана. Морфологическая изменчивость, включая степень ветвления стебля, размер листьев и плотность соцветий, отражает адаптивные стратегии растений к локальным климатическим условиям. Ген matK оказался высоко консервативным во всех изученных популяциях, за исключением одного уникального SNP в популяции Z7, что свидетельствует об ограниченной вариабельности на уровне пластидного генома. В то же время гены стрессового ответа продемонстрировали мозаичный характер распределения, выявляя популяционно-специфические адаптивные возможности к засухе, засолению, холоду и окислительному стрессу. Популяции Z2 и Z7 показали наибольший адаптивный потенциал, тогда как Z5, Z8 и Z9 оказались более уязвимыми. Полученные результаты подчеркивают тесную взаимосвязь между экологическими условиями, фенотипической пластичностью и генетической адаптацией и предоставляют важные сведения для сохранения и устойчивого использования данного лекарственного растения.