Μελέτη γενετικής ποικιλότητας σε πληθυσμούς οξιάς στην Ελλάδα

Abstract

The European beech (Fagus sylvatica L.) is a forest species with great economic and ecological value. The genetic uniformity of central and northern Europe is in contrast with the diversity of the southernmost populations, along with the Greek beech populations, which form the south-eastern limit of the species’ European distribution. Those populations are facing the effects of global warming and climate change and, therefore, play a crucial role to the conservation of the species diversity. The analysis of chloroplast DNA and leaf morphological diversity and the factors that affect it as well, consist the aim this study.The investigation of diversity in Greek beech populations (Fagus sylvatica L.) was conducted using chloroplast DNA microsatellites (cpDNA SSRs) and leaf morphological characters in a study area covering the species’ expansion in Greece.Thirteen haplotypes were identified by combining three different primers. Most of the cpDNA variation was distributed among populations, but a considerable amount was also observed within, while the total diversity was very high for all regions. The Nst/Gst comparison was significant, indicating phylogenetic subdivision, but the absence of strong spatial structure revealed complex postglacial migration patterns.The study of morphological characters was based on measurement and statistical evaluation of 31 leaf parameters and revealed significant diversity for all populations. The amount and distribution of morphological diversity was not affected by the use of sun or shade leaves. The leaf forms of the westernmost populations were closer to subspecies sylvatica, while the easternmost tended to have leaves resembling those of subspecies orientalis, along with the presence of exclusions and intermediate forms of the two subspecies. The greatest part of leaf morphological diversity was mainly due to the leaf size and, secondly, to the shape and lamina length. The complex distribution, along with morphological diversity patterns are probably the result of the combined effects of geographic-ecological factors and postglacial origin of Greek beech populations.The investigation of the possible relations between morphological characters and cpDNA haplotypes was conducted using the very same trees for both analyses. The strong ability of cpDNA groups to predict the grouping of leaf characters, along with the common trends of the two diversity parameters, suggest that the factors that formed the complex morphological diversity patterns, especially in areas where different lineages meet, are connected both to the genetic background and to the possible adaptation of beech populations in variable environmental conditions.The geographic position of Greek beech distribution in the southernmost limits of the species, the presence of glacial refugia, the meeting of different lineages and the contact zone of the two subspecies, along with the high amounts and the complex patterns of haplotypic and morphological diversity, suggest that the Greek beech populations deserve a high conservation priority in the face of global climate change.

Η οξιά (Fagus sylvatica L.) αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα δασικά είδη στην Ευρώπη, με ιδιαίτερη οικονομική και οικολογική αξία. Η γενετική ομοιομορφία που παρουσιάζει στην κεντρική και βόρεια Ευρώπη, έρχεται σε αντίθεση με την αυξημένη ποικιλότητα των νοτιότερων πληθυσμών της εξάπλωσής της, συμπεριλαμβανομένων και των ελληνικών. Επιπλέον, αυτοί οι πληθυσμοί αποκτούν ιδιαίτερη αξία, εξαιτίας των πιέσεων που δέχονται από την κλιματική αλλαγή και του ρόλου που μπορούν να διαδραματίσουν στη διατήρηση της ποικιλότητας του είδους. Η μελέτη και αξιολόγηση της ποικιλότητας του χλωροπλαστικού DNA και των μορφολογικών χαρακτήρων καθώς και των παραγόντων που τη διαμορφώνουν, αποτελούν τους στόχους της παρούσας έρευνας.Η διερεύνηση της ποικιλότητας των ελληνικών πληθυσμών οξιάς (Fagus sylvatica L.) πραγματοποιήθηκε με τη χρήση μικροδορυφόρων χλωροπλαστικού DNA (cpDNA SSRs) και μορφολογικών χαρακτήρων των φύλλων, με το σύνολο της περιοχής έρευνας να καλύπτει την εξάπλωση του είδους στην Ελλάδα. Για την ανάλυση του χλωροπλαστικού DNA χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικοί εκκινητές, από τους οποίους προέκυψαν 13 απλότυποι. Το μεγαλύτερο μέρος της ποικιλότητας κατανεμήθηκε μεταξύ των πληθυσμών, αλλά σημαντικό ποσοστό της επισημάνθηκε επίσης και εντός των πληθυσμών, με το συνολικό μέγεθός της να παρουσιάζεται πολύ υψηλό σε όλες τις περιοχές. Η σύγκριση Nst/Gst ήταν σημαντική, υποδεικνύοντας φυλογενετική υποδιαίρεση, αλλά η έλλειψη ισχυρής χωρικής δομής αποκάλυψε πολύπλοκα μοτίβα μεταπαγετώδους μετανάστευσης. Η μελέτη των μορφολογικών χαρακτήρων βασίστηκε στη μέτρηση και στατιστική αξιολόγηση 31 παραμέτρων των φύλλων και αποκάλυψε σταθερά σημαντική ποικιλότητα στο σύνολο των πληθυσμών. Το μέγεθος και η κατανομή της ποικιλότητας δεν μεταβλήθηκαν από τη χρήση φωτόφυλλων ή σκιόφυλλων για τις αναλύσεις. Στους δυτικότερους πληθυσμούς οι μορφές των φύλλων προσέγγισαν εκείνες του υποείδους sylvatica και στους ανατολικότερους του υποείδους orientalis, με ταυτόχρονη παρουσία εξαιρέσεων και σημαντική παρουσία ενδιάμεσων στα δύο υποείδη μορφών. Το μεγαλύτερο μέρος της μορφολογικής ποικιλότητας οφείλεται στο μέγεθος και σε μικρότερα ποσοστά στο σχήμα και το μήκος του μίσχου. Παρατηρήθηκε πολύπλοκη κατανομή της μορφολογικής ποικιλότητας των φύλλων, με τις τάσεις της πιθανόν να αποτελούν αποτέλεσμα της συνδυασμένης δράσης γεωγραφικών-οικολογικών παραγόντων και μεταπαγετώδους προέλευσης των πληθυσμών. Για τη διερεύνηση της συσχέτισης ανάμεσα στους μορφολογικούς χαρακτήρες και τους απλότυπους του χλωροπλαστικού DNA χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από τα ίδια δέντρα, ώστε τα αποτελέσματα να είναι άμεσα συγκρίσιμα. Τα υψηλά ποσοστά πρόβλεψης των μορφολογικών ομαδοποιήσεων από τις αντίστοιχες των απλότυπων, σε συνδυασμό με τις κοινές τάσεις για τους δύο δείκτες ποικιλότητας υποδεικνύουν ότι οι παράγοντες που διαμόρφωσαν το πολύπλοκο μοτίβο μορφολογικής ποικιλότητας, ειδικά σε περιοχές όπου συναντώνται διαφορετικές μεταπαγετώδεις διαδρομές (lineages), σχετίζονται με το γενετικό υπόβαθρο και την πιθανή προσαρμογή των πληθυσμών οξιάς σε διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες.Η υψηλή μορφολογική και απλοτυπική ποικιλότητα και η πολύπλοκη χωρική κατανομή της στους ελληνικούς πληθυσμούς οξιάς, σε συνδυασμό με τη θέση τους στο νότιο άκρο εξάπλωσης του υποείδους sylvatica, την παρουσία καταφυγίων, τη συνάντηση διαφορετικών lineages στην περιοχή και την ύπαρξη ζώνης αλληλεπίδρασης μεταξύ των δύο υποειδών, προσδίδουν αυξημένη προτεραιότητα μελέτης και διαχείρισης ενόψει της κλιματικής αλλαγής.