Eltérő származású, szélsőséges élőhelyű közép-kelet európai erdeifenyő (Pinus sylvestris L.) populációk térbeli genetikai mintázatának vizsgálata, adaptív jellegek nyomon követése: vegetáció és tájtörténeti vonatkozások a klimatikus korlátok mentén
Eltérő származású, szélsőséges élőhelyű közép-kelet európai erdeifenyő (Pinus sylvestris L.) populációk térbeli genetikai mintázatának vizsgálata, adaptív jellegek nyomon követése: vegetáció és tájtörténeti vonatkozások a klimatikus korlátok mentén
Angol cím
Spatial genetic structure and potential adaptive traits of native Pinus sylvestris L. populations from extreme habitat sites in East-Central Europe: vegetation and landscape historical consequences along climatic constraints
magyar kulcsszavak
Pinus sylvestris, nukleáris, mitokondriális és kloroplasztisz DNS markerek, élőhelyi adottságok, ektomikorrhiza, reliktum, genetikai variabilitás,
angol kulcsszavak
Pinus sylvestris, nuclear, mitochondrial and chloroplast DNA markers, habitat specificity, ectomycorrhiza, relict, genetic variation
Növénytani Tanszék és Soroksári Botanikus Kert (Magyar Agrár- és Élettudományi Egyetem)
résztvevők
Cseke Klára Erős-Honti Zsolt Nagy László Pedryc Andrzej
projekt kezdete
2012-01-01
projekt vége
2016-12-31
aktuális összeg (MFt)
0.324
FTE (kutatóév egyenérték)
4.25
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A téma indoklása A kutatás aktualitását és időszerűségét 3 fontosabb ténnyel indokolhatjuk: 1. A Kárpát-medence és Keleti-Kárpátok peremhelyzetű erdeifenyő-populációit a faj areáját lefedő molekuláris alapú fajtörténeti munkákba nem vonták be, pedig ezek a reliktum populációk éppen a déli kritikus, klimatikus határvonalon élnek. 2. Az eddigi kutatások rámutattak arra, hogy az európai, reliktum jellegű, tajgaerdő-alkotó fenyőfajok (Picea abies, Pinus cembra) fajtörténetében a Kárpátok és környékének földrajzi térsége igen jelentős. A luc bizonyítottan az utolsó glaciális maximum (GM) idején reliktum populációkkal rendelkezett a Déli-Kárpátokban, és innen nem is terjedt tovább. Kloroplasztisz SSR-mintázat alapján a Kárpátok cirbolyafenyő populációi különböznek az Alpokban élőkétől. Ez a mintázat eltérő fajtörténeti eseményekre utal. 3. Az újabb, erdeifenyőnél is vizsgált genetikai markerek (ESTs) közül néhányról bizonyították, hogy pozitív szelekciós nyomás alatt állnak, így a populációk ökológiai adaptációjában játszhatnak szerepet. Mivel az általunk vizsgálandó populációk igen különböző ökológiai háttérű, (láp, homok, szikla) izolált ökoszisztémákban maradtak fenn és valószínűleg eltérő történetük van, ezen markerek alkalmazása új eredményeket hozhat.
Nyolc természetes reliktum helyzetű Pinus sylvestris populációt és 3-4 erdészeti származási kísérletben fenntartott állomány, azonos körülmények között élő erdeifenyő egyedeinek genetikai mintázatát vizsgálnánk meg nukleáris és plasztisz-markerekkel. Az ökológiai háttér vizsgálatához a populációk élőhelyének ektomikorrhiza-közössége fajspektrumát molekuláris taxonómiai módszerekkel tervezzük összehasonlítani. A fajtörténeti, filogeográfiai eredmények mellett az ESTs-szakaszok vizsgálatával epigenetikai és fenotípus expressziós hatások kimutatását várjuk. A klimaváltozás idején ezek az eredmények új vegetáció- és tájtörténeti ismeretekkel szolgálhatnak, amelyek segíthetik az erdészeti és tájtervezési feladatok megoldását is.
angol összefoglaló
Three main reasons that argue for the need to investigate genetic structure of East-Central European Scots pine (Pinus sylvestris L.) populations:
1. Recent diversity and phylogeographic studies performed on Scots pine (Pinus sylvestris, L.) populations along its large distribution range, did not include native Carpathian populations growing at the edge of the southern distribution periphery. 2. However, most studies performed on European remnant populations of cold-tolerant, boreal forest species like Norway spruce (Picea abies) and stone pine (Pinus cembra) suggest that the region of the Carpathians is important in terms of accumulation of genetic diversity from historical time. Picea abies persisted in the Last Glacial Maximum (LGM) at relic sites of the Retezat Mts. (South Carpathians). Surprisingly, both fossil records and live genetic materials confirm only a very limited expansion of the populations from these refugia in the warming period of the Holocene. These results lead us to the conclusion that within the species distribution range, Carpathian populations harbour a distinct genetic material. Regarding Pinus cembra, a chloroplast microsatellite study confirmed high genetic variation along the Carpathians, even higher than its populations of the Alps. The genetic structure revealed a contrasting post-glacial history of the Carpathian populations from that ones in the Alps. Moreover, the Retezat Mts. preserved a refugium from where Pinus cembra presumably colonized the ecotones towards the Eastern Carpathians. We presume that Scots pine might preserved a specific life-history in the Carpathians. 3. During the last years, studies reported new results based on recently developed markers for Scots pine. Some of these sequences are from genome sites that are proven to be under positive selection effects.) The high variability of EST regions, EST-SSRs detected in the genome can offer deep insights into the selection mechanism of the population. During the man induced climate changes the results of such studies might have great importance. We plan to perform molecular study by using organellar and nuclear markers on samples originating from 8 natural populations of Scots pine of quite different habitat types and also 3 or 4 populations preserved in provenance trials in Hungary. These samples are from different geographic origin but they are grown actually on the same site. Ecological differences among and within habitats will be tested by the species spectra of the ectomycorrhizal communities of the soil. Beside the phylogeographic pattern and genetic structure of populations, by detecting the diversity in genes under positive selection and by describing ectomycorrhizal species composition, we would like to get an insight into the survival capacity of the populations.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
20 természetes eredetű erdeifenyő populáció (421 egyed) kloroplasztisz és nukleáris mikroszatellit alapú eredményei alapján jellemeztük a Kárpáti-Pannon térség reliktum helyzetű erdeifenyő populációinak molekuláris mintázatát, a populációk közötti filogeográfiai kapcsolatokat és refugium területekre következtettünk. Demográfiai modell segítségével paleoökológiai és migrációs eseményekre világítottunk rá, melyet összevetettünk rendelkezésre álló paleoklimatikus adatokkal is, és rekonstruálni próbáltuk a térségre jellemző recens erdeifenyő populációk paleotörténeti változásait. 10 eltérő, szélsőséges élőhelyű populáció esetében 12 stresszgén mintegy 2300 szekvenciájának elemzését végeztük el. A génekben talált SNP-k variabilitásából számított kiugró FST értékek alapján szelekciós nyomásra utaló jeleket kerestünk. A génszintű szelekció tesztelésére alkalmazott neutralitási tesztek többségükben negatív értékeket mutattak, ezek közül kettő volt szignifikáns, ami a tisztító, kiegyenlítő szelekcióra utal. Négy gén esetében tapasztalt pozitív értékek az adaptív nyomásra történő differenciáltság jelei lehetnek. A gén szekvenciák statisztikai értékelése jelenleg is folyamatban van. Hallgatók bevonásával toboz morfológiai, tűlevél anatómiai és mikromorfológiai bélyegeket tanulmányoztunk, melyek statisztikai kiértékelésével szignifikáns különbségeket detektáltunk a populációk között. Az eredmények rávilágítottak az eltérő élőhelyű populációk fenotípusos differenciáltságára is.
kutatási eredmények (angolul)
Nuclear and chloroplast microsatellite markers were used to highlight recent molecular genetic variation, genetic divergence and demographic history of 20 selected natural Scots pine populations (421 individuals) from the Carpathian-Pannonian region. Our results revealed phylogeographical relationships among the populations and have detected mainly two refugia for Scots pine in the region. Demographic modells by ABC DYC method were used to reconstruct paleohistorical population demographic events and tackle possible migration routes for the species. Demographic modells were compared with paleoclimatic data. Single nucleotide polymorhisms (SNP) from 12 candidate gene sequences (2300) were analysed in 10 peripherial populations from extreme habitat sites. We tried to evaluate the selective pressure based on the detected Fst outliers. Neutrality tests were generally non-signifincant, only two genes exhibited significant negative value indicating purifying and balancing selection. In case of four genes we found positive values that might indicate differentiation by adaptive behaviour. These evaluations are still in progress. Students were involved in cone morphological, needle anatomical and needle micromorphological studies. Statistical results show significant differences among the populations and highlighted phenotypical divergence of some populations.
Tóth E.Gy,Vendramin, G.G., Bagnoli, F., Cseke K., Höhn M.: High genetic diversity and distinct origin of recently fragmented Scots pine (Pinus sylvestris L.) populations along the Carpathians and the Pannonian Basin, Tree Genetics and Genomes - major revision requested, 2017
Tóth Endre György, Höhn Mária: A Kárpátok és a Pannon-medence izolált erdeifenyő (Pinus sylvestris L.) populációinak molekuláris genetikai struktúrája és demográfiai története, XI. Aktuális flóra- és vegetációkutatás a Kárpát-medencében nemzetközi konferencia, 2016. február 12–14. Absztrakt kötet, p. 7., 2016
Höhn Mária: Phylogeographical niche conservation and adaptive behaviour refl ected in the genetic structure of Pinus cembra and Pinus sylvestris populations from East Central Europe, XI. Aktuális flóra- és vegetációkutatás a Kárpát-medencében nemzetközi konferencia, 2016. február 12–14. Absztrakt kötet, p. 5, 2016
Tóth E; Vendramin G G; Bagnoli F; Cseke K; Höhn M: Genetic structure of relict and isolated Scots pine (Pinus sylvestris L.) populations from Central-Eastern Europe: signals of recent population fragmentation?, IUFRO Tree Biotechnology Conference. Firenze, Olaszország, 2015.06.08-2015.06.12. 2015. Paper S2.P4., 2015
Tóth E., Hufnagel L., Höhn M.: Chloroplast microsatellite study reveal lower variability in Pinus sylvestris L. populations inhabiting sunny, dry habitats., Interdisciplinarity in geoscience in the Carpathian basin. Suceava, 19-21 October 2012., 2012
Tóth E.Gy., Pedryc A., Höhn M.: Morphological and molecular evaluation of native Scots pine (Pinus sylvestris L.) populations from South-Eastern Europe, Acta Biologica Cracoviensia, Series Botanica. suppl. 1 p. 70., 2013
Tóth E.Gy., Pedryc Andrzej, Höhn M.,: Peremhelyzetű, közép-kelet európai erdeifenyő (Pinus sylvestris L.) populációk genetikai variabilitásának értékelése mikroszatellit markerekkel, X. Aktuális flóra és vegetációkutatás a Kárpát medencében, Sopron. Konferenciakötet, 2014
Tóth E.Gy., Pedryc Andrzej, Höhn M.,: Peremhelyzetű, közép-kelet európai erdeifenyő (Pinus sylvestris L.) populációk genetikai variabilitásának értékelése mikroszatellit markerekkel, X. Aktuális flóra és vegetációkutatás a Kárpát medencében, Sopron. Konferenciakötet. p.221., 2014
Höhn M.: Did human-mediated processes shape phylogeographic pattern of the Carpathian pine populations?, ProCoGen Dissemination Workshop. Szombathely meghívott előadó: www.procogen.eu, 2014
Tóth E.Gy., Köbölkuti Z., Pedryc A., Höhn M.: Az SNP markerek és alkalmazhatóságuk fenyőfajok molekuláris genetikai vizsgálatainál, Kertgazdaság, 2015
Tóth E Gy, Köbölkuti Z, Pedryc A, Höhn M: SNP markerek és használatuk fenyőfajok molekuláris genetikai vizsgálatainál, Kertgazdaság, 47(2): 79-87., 2015
Tóth Endre György, Köbölkuti Zoltán Attila, Pedryc Andrzej, Höhn Mária: Evolutionary history and phylogeography of Scots pine (Pinus sylvestris L.) in Europe based on molecular markers: a review, Journal of Forestry Research - accepted for publication, DB-2016-00061, 2017
Köbölkuti Zoltán Attila, Tóth Endre György, Ladányi Márta, Höhn Mária: Morphological and anatomical differentiation in peripheral Pinus sylvestris L. populations from the Carpathian region, Dendrobiology - accepted for publication, Ref.: Ms. No. JFR-D-16-00388R1, 2017
