Молекулярная эволюция митохондриального гена цитохрома b коттоидных рыб озера Байкал: Филогенетическая реконструкция

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

Исследования истории формирования мира живых организмов представляют большой интерес не только с точки зрения развития общей теории эволюции и построения естественной системы видов, но бывают чрезвычайно полезными и в решении целого ряда вопросов экологии, биогеографии, палеонтологии, исторической геологии и стратиграфии. До недавнего времени в эволюционных исследованиях применялись, в основном, методы сопоставления данных сравнительной анатомии, эмбриологии и палеонтологии. Использование такого подхода для решения некоторых, наиболее сложных, филогенетических задач связано с рядом затруднений, вызванных, в частности, существованием значительных различий в темпах фенотипичес-кой эволюции отдельных групп организмов и связанных с этим проблемами подбора эволюционно — значимых морфологических и других признаков.

По сравнению с морфологическими или физиологическими характеристиками, молекулярные данные показывают более стабильную структуру эволюционных изменений 1987), следовательно — более корректную картину филогенетического родства организмов. Кроме этого, сравнение нуклеотидных и аминокислотных последовательностей позволяет анализировать большое количество признаков (нуклеотидов или аминокислотных остатков), изменяющихся дискретно и по известному механизму. Это позволяет делать количественные оценки степени филогенетического родства видов с использованием соответствующих математических и статистических методов. Поэтому, использование анализа нуклеиновых кислот и других макромолекул в филогенетических исследованиях в настоящее время широко и успешно практикуется как отечественными так и зарубежными учеными. Особой «популярностью» пользуются нуклеотидные последовательности митохондриальной ДНК (мтДНК), в том числе и гена цитохрома Ъ. Для гена цитохрома Ъ составлена детальная калибровочная кривая скорости эволюции для млекопитающих и птиц, включая динамику накопления замен по положениям кодона, мутаций замещения, транзиций и трансверсий. На основе анализа нуклеотидных последовательностей митохондриального гена цитохрома Ъ успешно исследуется эволюция млекопитающих, птиц, рыб, земноводных и др., на разных таксономических уровнях — от популяций до родов.

Методы молекулярной биологии оказались чрезвычайно полезными и в филогенетических исследованиях на Байкале. Вопросы происхождения и эволюции организмов, населяющих озеро Байкал, представляют особый научный интерес не только с точки зрения их широкого разнообразия, глубокого эндемизма и уникальности среды обитания, но в значительной степени в связи с тем, что эндемичная байкальская фауна и флора характеризуется следующими весьма своеобразными чертами: 1) Она представлена формами, переходными как между видами, так и между таксонами более высокого ранга- 2) Для нее характерно наличие почти полного набора форм — от отдельных родов до обособленных семейств, обитающих в одном, относительно небольшом водоеме. 3) Многие эндемичные группы байкальских животных имеют монофилетичное происхождение и могут рассматриваться как «букеты видов» (Smith and Todd, 1984).

Байкальские подкаменщиковые рыбы (Cottoidei) являются одними из наиболее своеобразных представителей байкальской эндемичной фауны. Большая эволюционная пластичность и широкое распространение этих организмов позволяют рассматривать их как уникальный объект для эволюционных исследований, которые, в данном случае, могут явиться ключом к более глубокому пониманию процессов и закономерностей эволюции вообще. По современной классификации в состав байкальских подкаменщиков входит 29 видов, 22 из них эндемичны (Сиделева, 1982). Коттоидные рыбы встречаются на всех глубинах озера и представлены как бентосными, так и пелагическими формами. Представители сем. Comephoridae (голомянки) единственные живородящие рыбы водоема. Глубокий эндемизм Cottoidei Байкала, их широкое распространение в пределах озера, масштабы морфологических, физиологических и др. преобразований в процессе адаптивного видообразования, а также отсутствие ископаемых остатков привели, в результате, к тому, что во взглядах на эволюцию этой группы видов сосуществуют крайне полярные точки зрения. Достаточно сказать, что оценка времени происхождения комплекса видов варьирует от минимальной — не более 2 миллионов лет (млн. лет) (Талиев, 1955), до максимальной — не менее 20 млн. лет (Сиделева, 1982).

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Цель настоящей работы состояла в исследовании эволюционных взаимоотношений видов бычков подкаменщиков Байкала и установлении степени филогенетического родства с внебайкальскими формами на основе сравнения нуклеотидных последовательностей фрагмента гена цитохрома Ъ мтДНК. Выполнение этой задачи включало следующие этапы:

1. Выделить ДНК 3−4 представителей каждого из 15−20 байкальских и 10 -15 внебайкальских видов Сойогйе1, определить нуклеотидные последовательности фрагмента гена цитохрома Ъ мтДНК, длиной около 400 пар нуклеотидов, используя метод полимеразной цепной реакции.

2. Провести сравнительный попарный анализ нуклеотидных последовательностей на предмет распределения и соотношений мутаций по позициям кодона, транзиций / трансверсий, замещения / синонимичных замен. Сравнить результаты анализа с опубликованными данными по эволюции митохондриального гена цитохрома Ь.

3. С учетом результатов попарного сравнения последовательностей ДНК построить филогенетические схемы, используя компьютерные филогенетические программы. Составить анализ филогенетических схем с оценкой степени их корректности.

4. Сравнить результаты молекулярно-филогенетических исследований с имеющимися на сегодняшний день взглядами о происхождении, эволюции и системе байкальских СоШлс1е1.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Впервые для филогенетических исследований коттоидных рыб Байкала были использованы методы молекулярной биологии. Отмечено некоторое несоответствие между сегодняшними систематическими и филогенетическими представлениями и полученными результатами. Например, в филогенетических деревьях с высокой статистической достоверностью наблюдается отдельное от видов рода Limnocottus положение ветви Limnocottus eurystomus, что свидетельствует о полифилетичном происхождении этой группы. Топология филогенетических деревьев, а также приблизительная оценка времени эволюции Cottoidei в пределах озера не согласуется с принятой на сегодняшний день гипотезой о разновременном заселении праозера предками современных видов и исключительной древности комплекса подкаменщиковых рыб Байкала. Cottoidei Байкала представляют собой группу филогенетически близких видов, которые ведут свое начало от одной или небольшого количества пресноводных предковых форм, проникших на Байкал не ранее 2,5 млн. лет назад. Чрезвычайно интересные и уникальные в мировой практике эволюционных исследований результаты были получены при сравнении байкальских и внебайкальских форм. Cottoidei Байкала, как оказалось, имеют близкие филогенетические связи с видами из оз. Мичиган и р. Анадырь. Более того, попарный анализ полученных данных показал, что дивергенция байкальских и близких к ним видов сопровождалась ускоренным накоплением мутаций замещения в исследуемом районе мтДНК.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований представлялись на международной конференции «New Scope on Boreal Ecosystems in East Part of Russia.1', проходившей в 1994 году в городе Киото, Япония.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертации опубликовано пять статей.

ВЫВОДЫ.

1. Определена нуклеотидная последовательность фрагмента гена цитохрома Ъ митохондриальной ДНК 16 байкальских и 13 внебайкальских видов Cottoidei.

2. На основании статистического и филогенетического анализа полученных данных, а также сопоставления результатов исследований с данными геологического, исторического и зоогеографического характера предложена концепция происхождения и эволюции байкальских подкаменщиковых рыб в пределах озера.

3. Cottoidei Байкала представляют собой группу филогенетически близких видов, которые ведут свое начало от одной или небольшого количества пресноводных предковых форм, проникших на Байкал не ранее 2,5 млн. лет назад.

4. Предковыми формами байкальских подкаменщиков являлись пресноводные представители семейства Cottidae, рода Cottus. Образование двух эндемичных байкальских семейств — Comephoridae и Abyssocottidaeрезультат быстрой адаптивной радиации новых видов от предковой формы (или форм), вызванной резкой сменой условий среды обитания и появлением новых свободных экологических ниш.

5. Выявлено близкое филогенетическое родство между байкальскими подкаменщиками и видами из оз. Мичиган {Cottus bairdii, Cottus cognatus) и р. Анадырь (Cottus cognatus). Эти виды, также как наиболее дистантные виды Байкала — Cottus kessleri, Paracottus kneri и пара Cottocomephorus inermis, Cottocomephorus grewingki — представляют в филогенетических схемах наиболее древние эволюционные линии, отделившиеся от предкового ствола либо на ранних этапах становления «букета видов», либо незадолго до этого. 6. В филогенетических деревьях с высокой статистической достоверностью наблюдается отдельное от видов рода ЫтпосоПт положение вида Ытпосоиш еигуяЮтш, что свидетельствует о полифилетичном происхождении этой группы.