ИСТИНА

В сложении растительного покрова России мхам принадлежит значительная, роль. В наиболее чувствительных к глобальному потеплению экосистемах Арктики и криолитозоне роль мхов и сосудистых растений сопоставима. Поэтому всестороннее изучение этой группы необходимо для понимания закономерностей организации и функционирования экосистем севера Голарктики и для их эффективной охраны. За счет сравнительной компактности (около 20 тыс. видов против 430+ тыс. видов сосудистых растений), медленной эволюции, эффективному распространению и широким ареалам, незначительному распространению гибридизации и полиплоидизации, отсутствию апомиксиса мхи являются очень удобным модельным объектом для изучения многих аспектов биологии растений. Но исследование этой группы сильно тормозится отсутствием стабильной системы. С появлением секвенирования системы стали приводить в соответствие с топологиями молекулярно-филогенетических реконструкций. Вообще получение хорошо разрешенных реконструкций крупных групп критично для изучения многих аспектов их биологии. Но построение таких реконструкций ресурсозатратно, поскольку требует привлечения значительного числа консервативных ДНК-маркеров. Удовлетворительной реконструкции филогении мхов, которая могла бы лечь в основу системы на уровне семейств и родов, на данный момент нет. Единственная работа, основанная на суперматрице геномных данных (Liu et al., 2019) разрешает систему на уровне порядков, но из-за ограниченного таксономического самплинга (всего 129 видов) не решает множества частных вопросов. Напротив, реконструкции, включающие большие таксономические выборки (Tsubota et al., 2004, Cox et al., 2010), основаны на 1-2 генах и не позволяют удовлетворительно разрешить общую филогению мхов и выявить родства ряда изолированных линий. Представляемое исследование является логическим продолжением проектов, поддержанных грантами РНФ 18-14-00121 и 18-14-00121П. В ходе работ по ним мы столкнулись с двумя проблемами, решить которые в силу объективных причин не удалось. (1) доля нераспознанного ранее разнообразия у мхов намного выше, чем предполагалось ранее: в заявке 18-14-00121 фигурировало число 1288 видов, сейчас, по нашим подсчетам, не менее 1370 (т.е. более 80 видов выявлено за 5 лет и это не считая скрытых!), в результате ревизии отдельных групп завершить не удалось. (2) таксономическое положение ряда групп осталось неясным, для его уточнения необходима реконструкция общей филогении на основании обширного мультилокусного датасета, создание которого в рамках этих проектов не предполагалось. В рамках предлагаемого исследования мы планируем: (1) Получить разрешенную филогению мхов на основании датасета из 4 маркеров, включающего около 7 тыс. н.п. из которых около 4 тыс. кодирующих; вариабельные участки включают 3 наиболее часто используемых ДНК-баркода; в датасет будут включены представители всех родов российской флоры и всех семейств мировой флоры; на основании полученного дерева представить новую систему мхов. (2) Провести/закончить таксономические ревизии пор. Dicranales, сфагновых и андреевых мхов; опубликовать 3 и 1 тома Флоры мхов России (что позволит закончить эту фундаментальную сводку). (3) Отсеквенировать баркодинговую последовательность trnS-trnF для всех видов Российской флоры, для которых она еще не получена (что позволит эффективно использовать ДНК-баркодинг для Российских мхов). Используя оригинальную филогенетическую реконструкцию, с разрешенными филогенетическими узлами, в которой будут представлены все виды мхов России (результаты решения задач 1-3), провести фитогеографические исследования, основанные на метриках филогенетических метриках и сопоставить результаты с полученными для Северной Америки (Carter, 2021, Carter et al., 2022). Поскольку решение перечисленных проблем в мировом масштабе в рамках данного проекта невозможно, все работы кроме реконструкции общей филогении будут ограничены территорией России.

Bryophytes play a significant role in the composition of the vegetation cover of Russia. In the Arctic ecosystems most sensitive to global warming and in the cryolithozone, the role of mosses and vascular plants is comparable, increasing with latitude. Therefore, a comprehensive study of bryophytes is necessary to understand the patterns of organization and functioning of Arctic ecosystems and for their effective protection. Due to the comparative compactness (about 20 thousand species versus 430+ thousand of vascular plant species), slow evolution, effective distribution and wide ranges, insignificant spread of hybridization and polyploidization, absence of apomixis, mosses are a very convenient model object for studying many aspects of plant biology. But the study of this group is still hampered by the lack of a stable systematic order. Since DNA-sequencing became a widespread tool, systematics began to be aligned with the topologies of molecular phylogenetic reconstructions. In general, obtaining well-resolved reconstructions of large groups is critical for studying many aspects of their biology. But the obtaining of such reconstructions requires sufficient efforts, since the involvement of a significant number of conservative DNA markers is needed to resolve seep nodes of such reconstructions. There is currently no satisfactory reconstruction of the moss phylogeny, which could form the basis of the system at the level of families and genera. The only work based on a super matrix of genomic data (Liu et al., 2019) resolves the system at the level of orders, but due to limited taxonomic sampling (129 species in total) does not solve many particular questions. On the contrary, reconstructions with extensive taxonomic sampling (Tsubota et al., 2004, Cox et al., 2010) are based on 1-2 genes and do not provide satisfactory resolution of the general phylogeny of mosses and relationships of a number of isolated lines remain unclear. The presented study continues the projects supported by grants of the Russian Scientific Foundation 18-14-00121 and 18-14-00121П. In the course of work on them, we encountered two problems that could not be solved due to objective reasons. (1) the share of previously unrecognized diversity in mosses is much higher than previously assumed: a total of 1288 species were mentioned to occur in Russia in the grant proposal 18-14-00121 (2018), while after five years of studied, supported by RSF such account includes 1370 (i.e. more than 80 species have been added) despite truly cryptic species were not included. (2) the taxonomic position of a number of groups remains unclear, for its clarification it is necessary to reconstruct the general phylogeny of mosses based on an extensive multilocus dataset, that was not intended within the framework of the projects 18-14-00121 and 18-14-00121П. Within the proposed study, we plan: (1) to obtain the well resolved phylogeny of mosses based on a dataset of 4 markers, including about 7 thousand n.p. of which about 4 thousand represent coding regions; also the dataset includes three of the most commonly used for mosses DNA barcodes (genes rbcL and rps4, and also the highly veriabla region trnL-trnF); the dataset will include representatives of all genera of the Russian flora and all families of the world moss flora; based on the resulting tree we will present a new systematic order of mosses. (2) to conduct/complete taxonomic revisions of Dicranales, Sphagnopsida, Andreaeopsida and Andreobryopsida and to publish volumes 3 and 1 of the Flora of Mosses of Russia (which will complete this fundamental treatment). (3) to obtain the trnS-trnF barcoding sequence for all species of Russian flora for which it has not yet been obtained (which will make it possible to effectively use DNA barcoding for Russian mosses). (4) Using an original phylogenetic reconstruction, with resolved phylogenetic nodes, in which all species of mosses of Russia will be presented (results of solving problems 1-3), to conduct phytogeographic studies based on phylogenetic metrics and compare the results with those obtained for North America (Carter, 2021, Carter et al., 2022). Since within the framework of this project it is impossible to solve these problems on a global scale, all studies except for the reconstruction of the general phylogeny will be limited to the territory of Russia.

В результате планируемого исследования будет получена филогенетическая реконструкция мхов на основании 4 медленно эволюционирующих последовательностях пластидного и митохондриального геномов, включающая 500-600 таксонов, в т.ч. представителей всех родов Российской флоры. Крупные многовидовые рода будут представлены несколькими видами, так что только для полного представления разнообразия Российской флоры будет исследовано не менее 349 таксонов. В реальности, нами будет испробовано много методов, матриц, оценена сходимость получаемых реконструкций и соответствие их топологии, опубликованной на основании суперматрицы Liu et al. (2019). Научная значимость разрешения филогении мхов может быть проиллюстрирована известным высказыванием Ф.Г. Добжанского: «Ничто в биологии не имеет смысла кроме как в свете эволюции». Получение разрешенной филогении мхов позволит подойти к изучению их эволюции на качественно новом уровне, в том числе более точно датировать основные события филогении мхов, исследовать эволюцию отдельных признаков, изучать связь морфологических признаков с экологией, связь изменений экологии группы и «сдвигов» значений признаков с уровнями диверсификации и т.п. В этом смысле полученная реконструкция и датасет, лежащий в ее основе, будут существенным заделом для дальнейших аналитических исследований. С другой стороны, полученный молекулярный датасет в дальнейшем можно будет пополнять как таксонами, так и новыми генами, представляя его обновляемую версию. Этот датасет может стать ядром своего рода IPG для мхов. На основании полученной филогенетической реконструкции будет усовершенствована общая система мхов и доведена до стабильного состояния система мхов России таким образом, что все дальнейшие дополнения будут вписываться в нее. Соответственно, все дальнейшие исследования, связанные со мхами, приобретут прочный фундамент. В результате планируемого исследования будут выпущены недостающие 3-й и 1-й тома Флоры мхов России: третий том, целиком посвященный порядку Dicranales и первый с таксономическими обработками сфагновых и адреевых мхов (считая Andreaeobryum). В первый том также будут помещены общие ключи для определения крупных групп Флоры мхов России и дополнения ко всем томам, появившиеся после их выпуска и синопсис мхов России, составленный на основании их усовершенствованной системы. Таким образом, будет закончено издание фундаментальной многотомной сводки. Это первое в своем роде издание позволит определять мхи России на основании традиционного анатомо-морфологического подхода. Возможность точного определения видов трудно переоценить. Видовой состав является основой оценки биоразнообразия, которая важна для оценки воздействия на окружающую среду хозяйственной деятельности человека, разработки стратегий природопользования, обеспечения стабильного поддержания средообразующих экосистем, планирования мероприятий по охране окружающей среды. В рамках предполагаемого исследования мы расширим представленность в генбанке одного из двух крупнейших порядков мхов, Dicranales, содержащего множество групп, бедных морфологическими признаками и трудноопределимых на основании морфологии (особенно если образцы не содержат спорофитов), а также других видов флоры мхов России, по которым в Генбанке нет последовательностей. С одной стороны, это позволит эффективно использовать ДНК-баркодинг для определения мхов, с другой, полный сет последовательностей trnS-trnF (около 1800 оснований, включающий как кодирующие так и не кодирующие участки), представленный в генбанке, позволит эффективно использовать ДНК-баркодинг в случаях, когда определение видов на основании морфологии окажется затруднительным. На основании результатов, перечисленных выше (разрешенной филогенетической реконструкции, включающих все рода флоры мхов России и одного из 4 используемых для этого маркеров, полученного для всех видов флоры России) будет проведен фитогеографический анализ флоры мхов России, основанный на филогенетических данных. Он будет включать два логических блока: (1) выявление роли филогенетического сигнала в формировании региональных пулов видов; (2) анализ пространственного распределения филогенетического разнообразия флоры мхов России, выявление регионов его концентрации и факторов его формирования. В рамках представляемого проекта будет проведен первый подобный анализ, основанный на специально создаваемом (в частности для этого) молекулярно-филогенетическом датасете. Мы планируем провести анализ филогенетического разнообразия на качественно новом уровне за счет (1) специально созданного для этого, использования датасета, позволяющего максимально разрешить топологию филогенетической реконструкции и (2) вовлечения в анализ всех видов Флоры мхов России. Ни в одном из опубликованных ранее анализов филогенетического анализа ни того ни другого не делается, обычно берется сырая выдача данных по доступным в генбанке таксонам, а виды, по которым молекулярных данных нет, просто исключаются из анализа). Учитывая, что подобные анализы в целом единичны ввиду исключительной трудоемкости, результаты их будут очень востребованы. Кроме того, наличие доступных данных по России (генерируемых в рамках настоящего проекта), Европе и Северной Америке позволят провести обобщающий анализ закономерностей пространственного распределения мхов в северной Голарктике в целом. Уточненная таксономия, обновляемая база данных по распространению отдельных видов, а также выявление предикторов концентрации значительного филогенетического разнообразия создают прочную основу для разработки природоохранных мероприятий, нацеленных как на сохранение отдельных комплексов видов, так и биоразнообразия мхов в целом (подготовка региональных Красных книг, оптимизация региональных систем ООПТ). Выявление зависимости между показателями и филогенетического разнообразия и факторами среды и оценка реакции модельных видов мхов из разных флорогенетических комплексов на изменение климата важны для оценки и прогнозирования состояния биосферы криолитозоны северной Азии. Уточнение данных о распространении отдельных видов позволяет создавать модели их пространственного распространения и отслеживать расширение или сокращение ареалов видов, что также связано с изучением влияния на биосферу глобальных изменений климата. Последнее имеет самое прямое отношение к растительности Арктики и районов распространения вечной мерзлоты, где роль мхов в сложении растительного покрова особенно велика. Доступная online база данных (http://arctoa.ru/Flora/basa.php) позволяет аккумулировать информацию и поддерживать данные о распространении мхов в постоянно обновляемом формате.

За последние 5 лет в рамках проектов РНФ 18-14-00121, 18-14-00121П проведены ревизии множества групп мхов в наиболее таксономически сложных порядках Dicranales и Hypnales; все проблемы не решены, но решено подавляющее большинство, а оставшиеся проблемы локализованы и подготовлены молекулярно-филогенетические датасеты (т.е. выравнивания, содержащие необходимый самплинг критические групп) для решения нерешенных проблем.