Ing. Valentina FLORAN REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Analize genetice spaţiale în populaţii ...

34 Pages·2011·4.54 MB·Romanian

Ing. Valentina FLORAN Rezumatul tezei de doctorat

UNIVERSITATEA DE ŞTIINŢE AGRICOLE ŞI MEDICINĂ VETERINARĂ
CLUJ-NAPOCA
ŞCOALA DOCTORALĂ
FACULTATEA DE HORTICULTURĂ

Ing. Valentina FLORAN

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

Analize genetice spaţiale în populaţii naturale de
pin silvestru (Pinus sylvestris L.)

Conducător ştiinţific:
Prof. univ. dr. Radu SESTRAȘ

Cluj-Napoca
2011
1
Ing. Valentina FLORAN Rezumatul tezei de doctorat

CUPRINS
INTRODUCERE ……………………………………………………………………………….. 3
CAPITOLUL I 5
CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND PINUL SILVESTRU……………………………
1.1 Distribuţia pinului silvestru........................................................................................... 6
1.2. Importanţa pinului silvestru........................................................................................... 6
CAPITOLUL II 8
STADIUL ACTUAL AL CUNOAŞTERII PRIVIND DISTRIBUŢIA
POSTGLACIALĂ A SPECIEI PINUS SYLVESTRIS..............................................................
2.1. Consecinţe genetice ale schimbărilor climatice din timpul cuaternarului...................... 8
2.2. Scopul şi obiectivele cercetării …….............................................................................. 9
2.1.2. Obiectivele cercetării.......................................................................................... 10
CAPITOLUL III 11
MATERIALUL ŞI METODELE DE CERCETARE...............................................................
3.1. Materialul de cercetare ….............................................................................................. 11
3.2. Metodele de analiză utilizate în laborator …………………………………………… 12
CAPITOLUL IV 13
REZULTATE OBŢINUTE……………………………………………………………...............
4.1. Diversitatea genetică a pinului silvestru din românia, ungaria şi suedia la nivelul 13
ADN-ului mitochondrial.......................................................................................................
4.2. Diversitatea genetică a pinului silvestru din românia, ungaria şi suedia la nivelul 16
ADN-ului cloroplastic...........................................................................................................
4.3. Structura genetică spaţială în populaţii naturale de pin silvestru................................... 25
4.3.1. Interpolarea genetică a populaţiilor de pin silvestru din România, Ungaria şi 25
Suedia...........................................................................................................................
4.3.1.1. Interpolarea genetică pe baza analizelor ADN-ului mitocondrial 25
pentru populaţiile din România şi Ungaria…………………………………….
4.3.1.2. Interpolarea genetică pe baza analizelor ADN-ului mitocondrial a 26
populaţiilor din Suedia………….……………………………………...............
CAPITOLUL V 31
DISCUŢII ŞI CONCLUZII PRIVIND EVOLUŢIA POSTGLACIARA
A PINULUI SILVESTRU ŞI TENDINŢELE ACTUALE DE MIGRARE…………………
5.1.Contribuţii personale................................................................................................. 34
Rezumatul în limba engleză............................................................................................................. 35
Bibliografie selectivă……………………………………………………………………………... 45

2
Ing. Valentina FLORAN Rezumatul tezei de doctorat

INTRODUCERE

Gestionarea durabilă a pădurilor trebuie să aibă în vedere atât măsurile silviculturale
specifice, în acord cu cerințele ecologice ale speciilor, cât și considerentele de ordin genetic legate
de cunoașterea și gestionarea diversității genetice existente în arboretele naturale și cele artificiale.
Faptul că pădurile naturale dispun de o diversitate genetică mare, face ca acestea să se preteze
foarte bine programelor de ameliorare şi conservare a germoplasmei, în comparaţie cu arboretele
artificiale, acestea din urmă prezentând adesea un nivel mai redus al diversităţii genetice.
Schimbările climatice survenite în timpul Cuaternarului şi-au lăsat amprenta puternic
asupra structurii neutre a diversităţii genetice în cadrul populaţiilor aparţinând diferitelor specii de
arbori. În Europa şi America de Nord, repetatele cicluri glaciare şi interglaciare au forţat speciile
din zonele temperate să se retragă în refugii, de-a lungul perioadelor de creştere a gheţii şi
permafrostului fiind posibilă apoi migrarea lor în perioadele de încălzire interglaciare spre regiuni
unde condiţiile climatice le-au permis să supravieţuiască (IBRAHIM şi colab., 1996; TABERLET
şi colab., 1998; HUNTLEY, 1983; BENNETT şi colab., 1991; CHEDDADI şi colab., 2005).
Istoria recolonizării arborilor forestieri ajută la înţelegerea condiţiilor climatice şi de habitat
ale acestora în diferite regiuni din Eurasia în perioada Erei Glaciale. Deşi cele mai multe dintre
specii au avut ca refugiu aceeaşi regiune, dinamica şi căile de recolonizare diferă de la o specie la
alta, astfel încât speciile cu o toleranţă mare la temperaturi scăzute, cum sunt Picea, Pinus, Betula,
sunt considerate a fi originare din zone vestice şi nordice (LAGERCRANTZ şi RYMAN, 1990;
PALME şi colab., 2003).
Pinul silvestru sau pinul de pădure (Pinus sylvestris) este considerat a fi un relict glaciar,
datând din Terţiar (MIROV, 1967) şi având o istorie foarte complexă din punct de vedere al
posibilelor zone de refugiu răspândite pe întreg teritoriul Europei (BIRKS, 1989; TANTĂU şi
colab., 2006; WILLIS şi van ANDEL, 2004). Studiul polenului, macro-şi mega-fosilelor, a
profilelor sedimentare, precum şi datele istorice dovedesc că distribuţia pinului silvestru în sudul
3
Ing. Valentina FLORAN Rezumatul tezei de doctorat
Europei a început cu aproximativ 16000 de ani în urmă, ajungând în nordul Scandinaviei cu
aproximativ 7800 de ani în urmă (TANTĂU şi colab., 2006; WILLIS, 1998; CRITCHFIELD şi
LITTLE, 1966; GODWIN, 1956). Odată cu schimbările climatice survenite acum 500 de ani,
limita nordică a distribuţiei pinului s-a retras spre sud (WILLIS şi colab., 1998). Istoria acestor
specii, refugiile glaciare, rata de supravieţuire, precum şi distribuţia lor după era glaciară, poate fi
urmărită atât prin analiza fosilelor, cât şi cu ajutorul markerilor moleculari (ECKERT 2006,
WILLYARD şi colab., 2007). Astfel, WILLYARD şi colab. (2007) au putut evidenţia fosile de P.
belgica vechi de aproximativ 130 de milioane de ani.
Studiile filogeografice ale dinamicii populaţiilor în timp şi spaţiu, precum şi ale structurii
speciilor la nivel molecular folosind markerii organelari, au arătat că cele mai mari refugii de pin
silvestru au fost localizate în Munţii Balcani, Munţii Alpi şi Peninsula Iberică (BENNETT şi
colab., 1991; HUNTLEY şi BIRKS, 1983). Analiza polenului fosil indică faptul că abundenţa
genului Pinus în Europa a fluctuat de-a lungul sutelor de ani, în funcţie de ciclurile climatice care
au avut loc (CHEDDADI şi colab., 2005; MUELLER şi colab., 2003). În perioada apogeului erei
glaciare (37000 - 16000 de ani în urmă), Fennoscandia (Norvegia, Suedia, Finlanda, Peninsula
Kola şi Karelia) , precum şi părţile vestice din nordul Rusiei au fost acoperite cu gheaţă, însă odată
cu retragerea acesteia, pe parcursul ultimilor 10000 de ani, regiunea a fost colonizată de P.
sylvestris. Pe baza evidenţelor paleoecologice şi genetice au fost făcute numeroase sugestii despre
istoria filogeografică a pinului silvestru în timpul şi după Era Glaciară.
În cadrul cercetărilor aferente acestei teze de doctorat s-a urmărit analiza genetică a pinului
silvestru cu ajutorul markerilor moleculari (ADN mitocondrial şi cloroplastic), cu scopul de a
identifica zonele în care acesta a supravieţuit perioadei glaciare şi de a reconstitui căile de
recolonizare în areale cum ar fi România, Ungaria şi Suedia, urmărind bineînţeles şi diversitatea
genetică din cadrul acestor populații considerate resurse genetice în domeniul forestier.

4
Ing. Valentina FLORAN Rezumatul tezei de doctorat

CAPITOLUL I

CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND PINUL SILVESTRU

1.1.DISTRIBUŢIA PINULUI SILVESTRU

Pădurea de conifere reprezintă cel mai întins habitat terestru din lume, în emisfera nordică
ea ocupând o fâşie lată de aproximativ 1300 km.
La nivel global, din suprafaţa totală ocupată cu păduri, un procent de 37% este reprezentat
de pădurile de pin, în timp ce în emisfera nordică acestea ocupă 70% (MIROV, 1967). Dintre
toate speciile de pin, pinul silvestru sau pinul de pădure (P. sylvestris L.) are cea mai largă
distribuţie geografică, care se întinde din nordul Scandinaviei până în sudul Spaniei, şi din vestul
Scoţiei până în Estul Siberiei, la Marea Okhotsk. În cadrul acestui areal, populaţiile de pin
silvestru pot fi întânite la diferite altitudini, în nord fiind prezent de la nivelul mării până la 1000
m, în timp ce limita cea mai sudică este cuprinsă între 1200-2600m altitudine (Sierra Nevada,
Spania).
Pinul silvestru este cel mai răspândit conifer de pe Glob, ocupând circa 143 milioane ha
(37% din suprafaţa împădurită a globului). În România este pinul silvestru puţin răspândit în
comparaţie cu alte ţări, vegetând spontan, în masiv, la altitudini cuprinse între 310m, Dofteana-
Baciu, şi 1600 m, în Munţii Retezat, insular, în lungul Carpaţilor şi în Munţii Apuseni, pe stâncării
aride, turbării etc. Astăzi, bazinul râului Trotuş reprezintă cea mai mare zonă în care pinul este
menţinut sub formă de pădure pură sau în amestec cu molid, brad, stejar. Standuri naturale, unele
fiind de mare productivitate, se găsesc în iazuri ca: Buzău, Râmnic, Putna, Oituz. În general,
limitele sale de răspândire sunt cuprinse între 300 m altitudine în Subcarpaţii Moldovei şi Valea
Oltului şi aproximativ 1900 m în Retezat, izolat în bazinul Gemenele. Distribuţia generală a
5
Ing. Valentina FLORAN Rezumatul tezei de doctorat
vegetaţiei forestiere de pe teritoriul României este, pe de o parte, rezultatul evoluţiei generale a
vegetaţiei din Europa, după perioada Postglaciarului, fiind determinată climatic, iar pe de altă
parte, a intervenţiei antropice manifestată atât prin reducerea suprafeţelor deţinute de pădure, cât şi
prin transferul de seminţe şi puieţi.

Fig. 1.1. Arealul pinului silvestru (după DUCUSSO A., Euforgen 2009)
Fig. 1.1. Scots pine distribution range (DUCUSSO, A., Euforgen 2009)

1.2. IMPORTANŢA PINULUI SILVESTRU

Pinul silvestru este o specie foarte importantă din punct de vedere comercial. Lemnul
cu duramen roşcat, cu proprietăţi mecanice bune este uşor de prelucrat fiind folosit în
diferite industrii (lemn de cherestea, lemn de construcţii, lemn de celuloză, lemn de mină
etc.). Cheresteaua este numită în limbaj industrial „afacere roşie”(lemn cu duramen roşu),
fiind clasificată drept "lemn moale" şi utilizată pentru o gamă largă de produse, de la
construcţii de case şi bărci, la traverse de cale ferată, mobilier, jucării. Multe hectare de
pădure de pin sunt plantate în fiecare an pentru a furniza industriei lemnul necesar
(PRAVDIN, 1969).
6
Ing. Valentina FLORAN Rezumatul tezei de doctorat
Calităţile tehnologice ale lemnului depind în mare măsură de bonitatea staţiunii.
Rusticitatea remarcabilă de care dă dovadă pinul silvestru l-a impus ca specie de primă
importanţă în culturile forestiere din staţiuni de bonitate inferioară, în scopul fixării solului,
asigurând totodată şi o producţie apreciabilă de masă lemnoasă.
După anul 1960, pinul silvestru a fost utilizat frecvent pentru substituirea arboretelor
slab productive de fag, gorun, gârniţă, cer etc., cultivându-se anual pe circa 6000 - 7000 de
hectare (TURNOCK, 2002).
Duşmanii pinului sunt nematodele care provoacă ofilirea, cel mai des întâlnită la
puieţii tineri, de până la 10 ani, provocând moartea acestora în doar câteva săptămâni
(LOWE, 2011).
Cu un conţinut de răşină foarte mare, pinul silvestru se pretează la rezinaj, fiind
derulate programe de selecţie a fenotipurilor valoroase, preconizându-se instalarea de culturi
cu o astfel de destinaţie. Pinul silvestru este de asemenea utilizat cu mult succes şi la
împădurirea terenurilor degradate, mai ales în Transilvania.
În Finlanda şi ţările scandinave, pinul a fost utilizat pentru producerea gudronului în
epoca pre-industrială. Şi acum mai există producători activi de gudron, dar ca şi industrie
aceasta a încetat să mai existe.
Din punct de vedere medicinal, produsele din pin sunt utilizate ca diuretice şi iritante,
fiind şi un remediu valoros în tratarea problemelor de rinichi, boli reumatice şi infecţii ale
mucoasei respiratorii. Din ace, crengi şi scoarţă, care conţin o răşină lipicioasă cu miros
plăcut, sunt extrase substanţe cum ar fi: colofoniu, terebentină şi uleiuri esenţiale.
Terebentina nu este altceva decât esenţa distilată a răşinii brute de pin. Uleiul de terebentină
este folosit pentru uz extern ca stimulent pentru umflături reumatice, pentru entorse,
echimoze şi împotriva paraziţilor. Gudronul este folosit în medicină, în special în practica
veterinară, ca şi stimulent antiseptic, cu acţiune diuretică şi diaforetic.
Colofoniul a fost folosit pentru acoperirea plăcilor de zinc sau cupru, în tipărirea
imaginilor gravate şi pentru arcurile de vioară. Uleiul esenţial de pin nu se distilează direct
din răşină brută, ci cu abur, din ramurile şi acele proaspete, la fel ca şi terebentina.
7
Ing. Valentina FLORAN Rezumatul tezei de doctorat

CAPITOLUL II

STADIUL ACTUAL AL CUNOAŞTERII PRIVIND DISTRIBUŢIA
POSTGLACIALĂ A SPECIEI PINUS SYLVESTRIS

2.1. CONSECINŢE GENETICE ALE SCHIMBĂRILOR CLIMATICE DIN
TIMPUL CUATERNARULUI

Efectele schimbărilor climatice asupra speciilor de plante sunt cel mai bine cunoscute în
urma analizelor polenului fosil găsit în decursul ultimilor 20000 de ani în Europa şi America de
Nord (HUNTLEY şi BIRKS, 1983; HUNTLEY şi WEBB, 1988; HUNTLEY, 1990).
Studiul polenului, macro-şi mega-fosilelor, a profilelor sedimentare, precum şi datele
istorice dovedesc că distribuţia pinului silvestru în sudul Europei a început cu aproximativ
16000 de ani în urmă, ajungând în nordul Scandinaviei cu aproximativ 7800 de ani în urmă
(TANTĂU şi colab., 2006; WILLIS, 1998; CRITCHFIELD şi LITTLE, 1966; GODWIN,
1956). Istoria acestor specii, refugiile glaciare, rata de supravieţuire şi distribuţia lor după
era glaciară, poate fi urmărită prin analiza fosilelor şi cu ajutorul markerilor moleculari.
Răspândirea postglaciară a speciilor a fost influenţată şi de topografia fiecărei regiuni.
Studiile filogeografice ale dinamicii populaţiilor în timp şi spaţiu, ale structurii speciilor
la nivel molecular folosind markerii organelari, au arătat că cele mai mari refugii de pin silvestru
au fost localizate în Munţii Balcani, Munţii Alpi şi Peninsula Iberică (BENNETT şi colab.,
1991; HUNTLEY şi BIRKS, 1983). Analiza polenului fosil a indicat faptul că, abundenţa
genului Pinus în Europa a fluctuat de-a lungul sutelor de ani în funcţie de ciclurile climatice. În
perioada apogeului erei glaciare (37000 - 16000 de ani în urmă), Fennoscandia (Norvegia,
8
Ing. Valentina FLORAN Rezumatul tezei de doctorat
Suedia, Finlanda, Peninsula Kola şi Karelia), precum şi părţile vestice din nordul Rusiei au fost
acoperite cu gheaţă, însă odată cu topirea acesteia, pe parcursul ultimilor 10000 de ani, regiunea
a fost colonizată de P. sylvestris.
Numeroase studii pe aloenzime şi un număr tot mai mare de analize de ADN din
organite celulare (ADNcp şi ADNmt) demonstrează că populaţiile de plante care au fost
izolate în anumite areale prezintă o diversitate genetică mai ridicată decât celor dezvoltate
ulterior şi provenite din acestea.
Reducerea diversităţii genetice, în rândul populaţiilor, odată cu creşterea distanţei faţă
de refugiu prin expansiunea postglacială, în general înspre nord, este un fenomen general
datorat constrângerilor genetice repetate. Populaţiile considerate refugii glaciare (cum sunt
cele din sudul Europei) este posibil să fi menţinut o mare parte a variaţiei genetice existente
şi, prin urmare, este indicat a fi folosite cu precădere în programele de conservare genetică.

2.2. SCOPUL ŞI OBIECTIVELE CERCETĂRII

Scopul principal al temei de cercetare este studiul structurii genetice spaţiale a pinului
silvestru (Pinus sylvestris L.), de un interes major în procesul de adaptabilitate climatică,
producţie şi conservare a resurselor genetice forestiere a acestei specii. Acest studiu a
urmărit, de asemenea, cuantificarea diversităţii genetice intra şi interpopulaționale a speciei,
în populaţii provenite din trei ţări diferite altitudinal şi latitudinal: Suedia, România şi
Ungaria, în vederea caracterizării structurii lor genetice şi a modului lor de adaptare, precum
şi cu scopul identificării posibilelor rute ale colonizării în perioada postglacială. Datele
obținute vor fi folosite pentru a face recomandări privind modul de adaptare al pinului
silvestru la viitoarele schimbări climatice produse de încălzirea globală; la alegerea şi
utilizarea haplotipurilor valoroase ca material de reproducere în diferite zone geografice.
9
Ing. Valentina FLORAN Rezumatul tezei de doctorat
2.2.1. Obiectivele cercetării
Pentru atingerea scopului cercetărilor s-au stabilit următoarele obiective de cercetare:
- evaluarea diversităţii intra- şi interpopulaţionale a unor populaţii naturale de pin
silvestru din România, Ungaria şi Suedia;
- evidenţierea haplotipurilor existente la nivelul ADN-ului mitocondrial şi ADN-ului
cloroplastic atât prin tehnica PCR (Polymerase Chain Reaction), cât şi prin metoda
electroforezei capilare (Capilary electrophoresis -Sequencing Analysis);
- identificarea refugiilor glaciare din care provin populaţiile de pin silvestru din
România, prin verificarea ipotezei conform căreia Ungaria este zonă de refugiu a pinului
silvestru în perioada glaciară (revizuit de WILLIS şi van ANDEL 2004), precum şi căile de
recolonizare postglaciară pe teritoriul ţării;
- evaluarea diversităţii genetice şi identificarea căilor de recolonizare a populaţiilor de
pin silvestru pe teritoriul Suediei, în zona de nord a distribuţiei acestuia;
- elaborarea de concluzii privind influenţa schimbărilor climatice asupra diversităţii
genetice, evoluţiei şi migraţiei populaţiilor de pin silvestru;
- formularea de recomandări privind alegerea haplotipurilor cu capacitate mare de
adaptare viitoarelor schimbări climatice (de exemplu încălzirea globală preconizată) în
funcţie de zona de interes.

10