Роль кольцевых ареалов в теории аллопатрического видообразования.
Одной из центральных тем эволюционной биологии является проблема формирования и поддержания дискретных межвидовых различий в ходе микроэволюции. В этой связи особый интерес представляет природа барьеров нескрещиваемости, которые вслед за Т. Добржанским (Dobzhansky, 1937) и Э. Майром (1968, 1974) принято обозначать в качестве «изолирующих механизмов». После опубликования работы Э. Майра (Мауг, 1942), теория аллопатрического (географического) видообразования стала общепринятой среди зоологов — эволюционистов для объяснения дивергенции популяций до видового уровня. Она утверждает, что у животных, размножающихся половым путем, новый вид образуется в случае, когда популяция, географически изолированная от других популяций предкового вида, приобретает признаки, обеспечивающие ее репродуктивную изоляцию после разрушения внешних преград. Видообразование — это медленный эволюционный процесс, и ни один исследователь не может наблюдать его непосредственно. В этом отношении особый интерес представляют кольцевые ареалы, которые долгое время служили классическим примером географического видообразования, «развернутого в пространстве, а не во времени» (Huxley, 1942). Цепь интерградирующих популяций (подвидов) образует петлю или замкнутую окружность, причем конечные звенья оказываются замкнутыми по отношению друг к другу (Майр, 1974). Среди множества доказательств географического видообразования кольцевые ареалы всегда по праву считались особенно убедительными. Они формируются в условиях исключительного сочетания географических факторов и в силу этого должны быть весьма редкими. Было описано более 20 случаев образования таких ареалов (Мауг, 1942; Майр, 1974). Наиболее яркими’примером является кольцевой ареал галапагосских вьюрков. Д. Лэк.
Lack, 1947) показал, что один из галапагосских вьюрков (Camarchynchus psittacula) колонизировал остров Чарльз дважды, причем колонизировавшие остров популяции происходили из разных концов цепи подвидов и сейчас обитают на острове Чарлз как два самостоятельных вида. Сходный случай был описан для саламандр Ensatina. Одна цепь популяций проникла в южную Калифорнию по Береговому хребту, а другая — через горы Сьерра-Невада. Эти два «потока» популяций, которые образуют плавный переход от одной к другой к северу от долины Сан-Хоакин, встречаются южнее, в горах Сан-Бернардино, не проявляя при .- v никаких признаков гибридизации (Stebbins, 1960).
Однако, при более углубленном изучении каждого конкретного случая кольцевого ареала обнаруживали, что в действительности ситуация намного сложнее. Так, выяснилась неполнота считавшегося классическим кольцевого ареала европейских чаек, где концевыми звеньями в цепи подвидов, охватывающих северную часть умеренной области, являются Latus argentatus и L. fuscus. Были выявлены четкие разрывы в цепи популяций, обитающих между западной Европой и восточной Азией. Очевидно, ареал L. argentatus в плейстоцене в течение некоторого времени был разделен на ряд рефугиумов. Желтоногая группа cachinnans эволюционировала в Арало-Каспийской области и позже дала начало атлантической группе fuscus. Группа с розовыми ногами (vegae и родственные формы) формировалась на тихоокеанском побережье Азии и впоследствии дала начало близкородственной типичной форме argentatus из Северной Америки. Выселение argentatus в Европу через Атлантику произошло сравнительно недавно (Майр, 1974). Несколько иное объяснение дает Е. К. Барт (Barth, 1968). Там, где встречаются vegae и cachinnans, они обмениваются генамито же самое происходит на севере Балтики, где встречаются cachinnans и argentatus. Однако там, где argentatus и fuscus встречаются вдоль побережья Европы, они живут бок о бок, не смешиваясь, лишь в редких случаях производя гибридов. Этологические и экологические различия, позволяющие этим двум формам существовать как хорошим видам, были описаны Ф. Гете (Goete, 1955). В настоящее время серебристая чайка рассматривается как комплекс из 5—7 близких видов, различающихся вокализацией, цветом мантии, клюва, ног, глаз, деталями поведения и экологии. Возможно, некоторые из них имеют гибридогенное происхождение. Нет сомнений, что видообразование в группе так называемых «сельдевых» чаек, включающих помимо комплекса серебристой чайки серокрылую (L^Glaucescens), тэйерову (L. thayeri), калифорнийскую, происходит в настоящее время по всей Голарктике (Панов и др, 1999; Spear, 1987; Yesou, 1991).
Другим классическим примером кольцевого ареала считался изучаемый нами ареал надвида большая синица (Parus major). Э. Майр (1942), опираясь на интерпретацию Б. Реншем (Rensch, 1929) данных Б. К. Штегмана (Stegmann, 1928), рассматривал ареал синиц как «кольцо», состоящее из ареалов ряда форм (major, minor, cinereus) (рис. 1), различающихся по окраске (структуре распределения липохрома в оперении и форме белых пятен на крайних рулевых перьях), размерам и пропорциям тела. В этом кольце в качестве конечных репродуктивно изолированных звеньев рассматривались популяции major и minor в Среднем Приамурье. Однако впоследствии, также как и в случае с серебристой чайкой, взгляды на ареал надвида Parus major как на кольцо были пересмотрены. JI.A. Портенко (1955) опубликовал сообщение о существовании на Среднем Амуре промежуточной между подвидами major (kapustini) и minor (wladiwostokensis) популяции на Среднем Амуре. Это замечание, тем не менее, было оценено очень осторожно. Так Д. Сноу (Snow, 1957) отметил, что для верной оценки этого замечания необходимы новые данные, однако возможно допустить, что репродуктивная изоляция между этими формами не столь полная, как предполагал Б. К. Штегман. Однако после того, как Ч. Вори посетил Ленинград и обсудил этот вопрос с JI.A. Портенко (Vaurie, 1959), стало принятым считать, что формы major и minor действительно интерградируют на Среднем Амуре. Под их.
Рис. 1. Схема ареала большой синицы И.
— Ареал Parus minor зоны вторичных контактов, в.
— Ареал Parus / которых были обнаружены major >1 ч смешанные пары и гибридное потомство.
— Ареал Parus major intermedius зоны вторичных контактов, для.
— Ареал Parus boKharensisS которых показано наличие птиц й с фенотипом, отличным от.
— Ареал Parus cinereus родительских форм.
— Ареал Parus major влиянием изменил свои взгляды и Э. Майр (1968). Он выдвинул предположение, что ареал большой синицы состоит из трех групп популяций, разобщенных в плейстоценовых рефугиумах и гибридизирующих друг с другом в зонах вторичных контактов. Согласно этой версии, подвид’группы major скрещиваются в Персии и в Южной Туркмении с формой южноазиатской группы cinereusэти две группы постепенно переходят здесь одна в другую, образуя промежуточную форму intermedius. Группа cinereus скрещивается в Фудзяне с восточноазиатской группой minor, образуя промежуточную популяцию commixtus, а группа minor в свою очередь гибридизирует с major в бассейне Амура. A.A. Назаренко (1971) после специально проведенных исследований по морфологии, экологии и акустической активности major и minor, обитающих на Среднем Амуре, пришел к выводу, что интерградации популяций в этом районе не происходит, а гибридизация, если и существует, носит ограниченный характер. Он также подверг критике теорию о гибридном происхождении формы commixtus, предположив, что это на самом деле форма minor, у которой произошла спонтанная утрата пигментов, как это происходит на островах Рююо. Последующие исследования подтвердили данные A.A. Назаренко о четких различиях основных форм по морфологии, акустическим сигналам и особенностям экологии (Степанян, 1983; Керимов, Формозов, 1985; Формозов и др., 1993; Иванкина и др., 1997).
JI.C. Степанян, основываясь на собственных исследованиях и данных литературы (Зарудный, 1896- Зарудный и др., 1912; Дементьев, 1954; Портенко, 1955; Назаренко, 1971; Vaurie, 1950. 1959), подчеркнув высокую степень морфологической обособленности всех основных форм группы Parus major и ограниченность гибридизации в зонах вторичного контакта, предложил присвоить группе Parus major статус надвида.
Первоначальному представлению о кольцевом ареале большой синицы в трактовке Б. Ренша (Rensch, 1929) противоречат результаты недавних исследований, основанные на анализе первичной структуры контрольного региона и гена цитохрома b митохондриальной ДНК (Kvist et al., 2003). Сделанная авторами оценка генетических дистанций между четырьмя основными формами поддерживает представление Э. Майра (1974) о том, что кольцевой ареал синиц — это результат дивергенции четырех основных форм в изолированных плейстоценовых рефугиумах с последующим расширением их ареалов и формированием зон вторичных контактов.
Зоны вторичных контактов и эволюционные последствия гибридизации.
Ключевыми для понимания процессов географического видообразования являются зоны вторичных контактов ранее дивергировавших популяций, в которых решается вопрос, будут ли два филума существовать как независимые эволюционные единицы, или же в результате гибридизации сольются в единое целое. В последнее время появилось много работ, свидетельствующих о том, что межвидовая гибридизация — явление достаточно обычное. Например, у птиц доля видов, для которых отмечены случаи гибридизации, составляет не менее 10% от мировой орнитофауны (Панов, 1989). С развитием молекулярно-биологических методов исследователи получили возможность оценить степень гибридизации не только по фенотипическим признакам, но и непосредственно на генетическом уровне. Их применение позволило как проверить многие ранее выдвинутые гипотезы, так и предложить новые. Было показано, что многие животные сохраняют видоспецифические Л.
-^ношхва в условиях массовой и, как правило, асимметричнои интрогрессии чужеродной ДНК.
Так, у птиц случай полностью асимметричной интрогрессии был впервые описан Ф. Гиллом (Gill, 1997) при поглотительной гибридизации синекрылого певуна (V. pinus) со златокрылым (Vermivora chrysoptera) в.
Пенсильвании. Длительная послеледниковая гибридизация желтоголовой древесницы (Dendroica occidentalis) и древесницы Таунсенда (D. townsendi) привела к вытеснению первого вида вторым в северной части ареала вдоль тихоокеанского побережья Канады (Rohwer et al., 2001). Генофонд обитающих на этой территории внешне чистых Таусендовых древесниц насыщен митотипами вытесненного вида. Даже на юге Аляски (окр. г. Валдес, побережье зал. Принс-Вильям), в 2000 км к северу от современной границы желтоголовой древесницы (национальный парк «Олимпик», шт. Вашингтон), 78% древесниц Таунсенда имели чужеродные митотипы. Две выборки этого вида с о-ва Грейам и о-ва Принца Уэльского состояли только из носителей митотипа желтоголовой древесницы (Rohwer et al., 2001). Обзор более 80 случаев гибридизации показал, что в 50 из них интрогрессия мтДНК была строго асимметрична (Wirtz, 1999).
Традиционно последствия гибридизации животных рассматриваются с двух альтернативных позиций — как эволюционно негативные, способствующие разрушению коадаптивных генных комплексов (Майр, 1968), и как эволюционно творческие, то есть приводящие к формообразованию (Панов, 1989). В свете данных, демонстрирующих способность видов животных сохранять свою устойчивость на фоне интрогрессивной гибридизации, наиболее сильным аргументом сторонников позиции Эрнста Майра является утверждение о том, что интрогрессия митохондриальной ДНК, несущей ограниченное количество генов, не вызывает нарушения коадаптивных генных комплексов ядерного генома и не противоречит наличию отбора против гибридов.
Зоны вторичных контактов в надвидовом комплексе большая синица.
В свете результатов последних исследований комплекса P. major, основной интерес представляет не столько установка систематического положения форм синиц, сколько проблема сохранения их устойчивости (морфологической специфики) в зонах симпатрии, для трех из которых описаны случаи образования смешанных пар и гибриды (major х bokharensis в Западной Монголии и Юго-восточном Казахстане, major х minor в Среднем Приамурье). Кроме того, относительно недавно была подробно исследована промежуточная форма intermedius в Юго-западной Туркмении, рассматриваемая как возможный результат гибридизации форм major и cinereus. Остановимся подробнее на каждой из этих зон вторичного контакта.
Гибридная зона Parus major и Parus bokharensis в Юго-Западной Монголии. При обсуждении объема вида Parus major чаще других рассматривался вопрос об отношении к нему формы bokharensis. В отечественной литературе конца 19 — начала 20 веков эта группа, наиболее сильно отличающаяся от других форм не только окраской, но и пропорциями тела, формой крыльев и хвоста, трактовалась в качестве самостоятельного вида. Столь существенные морфологические отличия повлияли на пересмотр статуса этой формы (Delacour et al., 1950. Vaurie, 1950. 1957. 1959) и до начала 70-х годов прошлого века было принято считать bokharensis самостоятельным видом. Однако в 1969. 1974 и 1975 годах на юго-западе Монголии Монголо-Германской биологической экспедицией были добыты 6 синиц и все они были определены как гибриды большой и бухарской синиц (Eck, Piechocki, 1977). Эти данные позволили JI.C. Степаняну (1983), включить bokharensis в надвидовую группу Parus major.
Неограниченная гибридизация в зоне симпатрии Parus major и Parus bokharensis в Юго-Восточном Казахстане. В недавней работе H.A. Формозова с соавторами (Формозов и др., 1993), на основании морфологических данных и структуры песни была описана зона гибридизации большой и бухарской синиц в Уштобе (Юго-Восточный Казахстан), куда большие синицы проникли в начале 70-х годов прошлого века. Собранные данные позволили авторам сделать вывод об отсутствии изолирующих механизмов и, как следствие, предположить существование неограниченной гибридизации в зоне совместного обитания major и bokharensis в бассейне Урунгу. По мнению авторов, два из четырех подвидов бухарской синицы (P.b. dzugaricus и P.b. iliensis), оказались под угрозой засорения гибридами и полной потери индивидуальности в ближайшие годы.
Копетдагская большая синица (Parus major intermedius) — результат гибридизации major и cinereus, или нечто другое? Долгое время предполагалось, что зона вторичного контакта форм major и cinereus достаточно изучена и не содержит никаких сюрпризов. Общепринятой была точка зрения Ч. Вори (Vaurie, 1950), что эти две формы связывает промежуточная по окраске и гибридная по происхождению форма intermedius. В конце прошлого века были высказаны две противоположные, но полностью отрицающие традиционную, точки зрения. Ю. В. Мищенко (1982) рассматривал intermedius как подвид большой синицы, а ослабление липохромовой окраски копетдагских синиц связывал с действием правила Глогера. Другая гипотеза была высказана J1. С. Степаняном (1983). Он так же, как и Мищенко, придавал статус видов формам major и cinereus, но intermedius считал подвидом не P. major, a P.cinereus. Гипотеза о происхождении этой формы в результате гибридизации major и cinereus Л. С. Степаняном не обсуждалась, а лишь приводился совершенно справедливый, но не относящийся к существу дела, вывод о том, что эта форма не могла быть продуктом гибридизации major и bokharensis. Результаты последующего детального анализа этой популяции (Керимов, Формозов, 1985. 1986. Формозов и др., 1993), основанного на сравнении морфологических и акустических признаков синиц в Копетдаге, в целом, не позволяют отбросить предположение Ч. Вори о гибридном происхождении этой популяции.
Взаимодействие форм minor и major на Среднем Амуре.
Зона вторичного контакта этих форм является основным предметом нашей работы и история ее изучения заслуживает особого внимания. Считается, что контакт восточных (minor) и больших (major) синиц в Среднем Приамурье возник около ста лет назад как результат встречного расселения, с одной стороны, популяций major на восток вслед за человеческими поселениями, а с другой — minor на север из Китая (Смиренский, 1986; Назаренко и др., 1999). Территориальная стратегия освоения Среднего Приамурья различается у major и minor: первые формируют оседлые группировки, круглогодично тяготеющие к населенным пунктам, а вторые колонизируют данный регион только в период размножения, занимая более широкий спектр местообитаний включающий пойменные леса и полосу разреженных мелколиственных и широколиственных лесов, в том числе и в окрестностях населенных пунктов. На востоке зоны перекрывания и далее на восток minor занимает местообитания major — населенные пункты и измененные деятельностью человека леса вокруг них. Недавняя ревизия зоны симпатрии показала, что при протяженности более 250 км она неоднородна в отношении характера и длительности контакта (Назаренко и др., 1999; рис. 2). К западу от реки Бурей популяции major и minor практически не взаимодействуют (Смиренский, 1977). Наиболее длительный и устоявшийся контакт форм характерен для центральной части зоны симпатрии (от села Пашково до пос. Вира), где четко выражены различия в предпочитаемых синицами местообитаниях и существует ограниченная гибридизация, составляя, в районе села Пашково, около 10% смешанных пар от числа всех пар, сформированных при участии представителей формы major в качестве одного из брачных партнеров (Керимов, Формозов, 1986; Формозов и др., 1993). Восточная часть зоны (от пос. Вира до г. Биробиджан) представляет собой район недавней и продолжающейся экспансии major, которая J ч в ц 4.
Облучье R в в — *.
Ц в в в в V.
Вира.
Пашково ццМц ц цц.
Ц ц g в в Биракан в в 1ЧУ в в в в в В В g В g в в в Биробиджан в в в в.
Еврейская Автономная Область.
48 * 30*.
Л1 Г.
Рис. 2. Карта — схема зоны симпатрии.
Parus major и P. minor. 3 — западная часть зоны симпатрии В — восточная часть зоны симпатрии Ццентральная часть зоны симпатрии з? о wo по А. А. Назаренко и др., 1999,.
Л" и" с изменениями iioo 2000.
9ж 1000.
0 500 I I I 50 200 I W.
— О 30 О.
20 Кш сопровождается интенсивной гибридизацией двух форм и вытеснением minor из смешанных поселений в пределах населенных пунктов (Назаренко и др., 1999).
Обзор молекулярно-генетических методов, которые могут быть использованы для оценки статуса и генетических последствий взаимодействия популяций в зоне симпатрии.
Несмотря на существенный вклад работы A.A. Назаренко с соавторами (1999), анализ фенотипической структуры популяций в зоне вторичного контакта в Приамурье носит достаточно фрагментарный характер. С другой стороны, сам по себе фенотипический анализ популяций не может дать полного представления о степени изоляции геномов взаимодействующих популяций. Уровень генетической интрогрессии в зоне гибридизации вызывает большой интерес и в связи с тем, что между генотипом и фенотипом нет однозначно четких связей. Это объясняется тем, что фенотип возникает в результате чрезвычайно сложных взаимодействий между разными генами, а также между генами и внешней средой. Вообще говоря, не существует фенотипически идентичных организмов, хотя отдельные признаки различных организмов могут быть одинаковыми. Более того, организмы, обладающие сходными фенотипическими проявлениями какого-либо признака, не обязательно имеют идентичные по этому признаку генотипы (Айала, 1984). Полное представление о последствиях и характере взаимодействий популяций может быть основано не только и не столько на классических зоологических, а на молекулярно-генетических методах, позволяющих оценить реальную степень генетической интрогрессии в популяциях.
Молекулярно-генетический анализ стал сегодня почти необходимой частью любого таксономического, экологического и даже этологического исследования. Число работ, основанных на расшифровке полной последовательности индивидуальных генов или их участков, сравнении более или менее протяженных повторяющихся последовательностей или на интегральной оценке общего сходства геномной ДНК, растет как снежный ком. Значение молекулярных маркеров в филогенетических и вообще эволюционных исследованиях увеличилось с разработкой высоких технологий молекулярного клонирования и секвенирования ДНК, а также с использованием полимеразной цепной реакции (ПЦР/РСЯ). В распоряжении зоологов теперь есть подходы, позволяющие вести исследования на самых разных уровнях — от индивидов и популяций до отрядов и надотрядных категорий (Банникова, 2004). Они включают:
1. Определение первичной структуры, т. е. нуклеотидной последовательности отдельных генов или некодирующих участков ДНК, и ее сравнение у разных организмов. В результате таких исследований можно установить, какие конкретные замены нуклеотидов произошли в анализируемом участке ДНК в эволюции разных филетических линий.
2. Поиск таксонспецифичных семейств повторяющихся последовательностей или отдельных копий известных повторов, общих для ДНК разных видов, в т. ч. компьютерными методами. Этот подход позволяет выявить соответствие между эволюцией таксонов и появлением и распространением в геномах отдельных генетических элементов и семейств повторов.
3. Сопоставление протяженных, но анонимных участков генома с неизвестными функциями и часто неясной локализацией путем сканирования мутаций по всему геному. Эта группа методов дает общую оценку молекулярно-генетического сходства видов.
Если первые два подхода технически основаны, главным образом, на секвенировании, то последний связан с применением таких методов, как разные варианты ПНР, ПДРФ (полиморфизм длин рестрикционных фрагментов), молекулярная ДНКхДНК гибридизация. Традиционный рестриктазный анализ при разделении ДНК методом агарозного электрофореза и молекулярная ДНКхДНК гибридизация проигрывают секвенированию по разрешающей способности, информативности и широте сопоставлений. Однако, постоянное техническое усовершенствование и модификация методик, направленных попрежнему сохраняют популярность метода ДНКхДНК гибридизации (Банникова, 2004).
Арсенал маркеров и методов современной геносистематики достаточно обширен. Все они имеют свои положительные и отрицательные стороны и разную степень разрешающей способности. Далее мы, ссылаясь на обзор A.A. Банниковой (Банникова, 2004), рассмотрим основные достоинства и недостатки некоторых молекулярных маркеров, наиболее широко используемых при изучении микроэволюционных процессов.
Анализ митохондриалъной ДНК (далее, мтДНК). Привлекательность этого маркера связана, в частности, с малыми размерами митохондриального генома, в связи, с чем он прост для анализа и потому изучен гораздо подробнее, чем ядерный. Средняя скорость накопления нуклеотидных замен в мтДНК обычно превышает таковую для ядерной ДНК (далее, яДНК) в 5−10 раз и оценивается в 2−4% за 1 млн. лет (Brown et al., 1979; Wilson et al., 1985). Скорость накопления несинонимичных замен (замены нуклеотидов, приводящие к замене аминокислот) в мтДНК и яДНК сопоставимы, но синонимичные замены (замены, которые не приводят к замене аминокислоты, «молчащие» замены) появляются в 100 раз чаще в митохондриальном геноме, чем в ядерном (Pesole et al., 1992).
Высокая частота замен в митохондриальном геноме еще более по сравнению с яДНК усиливает эффект насыщения в нуклеотидной последовательности и экранирует «филогенетический» сигнал. Например, у приматов кривая дивергенции цитохрома b выходит на плато по истечении 15−20 млн. лет при 25% различий (Brown et al., 1982). Далее замены концентрируются в положениях, которые уже были замещены, т. е. наступает насыщение, которое является источником гомоплазий молекулярных конвергенций). В результате мтДНК видов, разошедшихся 80 млн. лет назад, отличается немногим больше, чем мтДНК видов, общий предок которых существовал 20 млн. лет назад.
Скорость возникновения замен, конечно, варьирует на разных участках мтДНК: гены рибосомной РНК — 12S и 16S — изменяются медленно, а D-петля — быстро. Таким образом, митохондриальные последовательности значительно более полиморфны, чем ядерные, что обуславливает целесообразность их использования в популяционных исследованиях. Изучение микрогеографической изменчивости митохондриальных генов повлияло на развитие нового направленияфилогеографии (Avise, 1998). Филогеография изучает географическое распространение генеалогических линий, т. е. рассматривает гены в пространстве и во времени (Hewitt, 2001). В связи с развитием этого направления в последние годы сделан необычайный прорыв в понимании послеледниковой экспансии животных и растений Европы и Берингии и плейстоценовых изменений их ареалов. Так, многое дал филогеографический анализ нуклеотидных последовательностей митохондриальных генов ND3 и цитохрома b желтой (Motacilla flava) и желтоголовой (M. citreola) трясогузок. В рамках традиционно распознаваемого вида М. flava филогенетический анализ обнаружил существование трех линий, распространенных в Европе и Юго-западной Азии, в Северо-восточной Евразии и в Юго-восточной Азии. Поскольку эти линии не являются монофилетической группой и на филогенетическом дереве разделены линиями желтоголовой, горной и белой трясогузок, оказалось целесообразным выделить их в отдельные виды. Парафилетическим также оказался вид М. citreola, западная и восточная линии которого заслуживают присвоения им видового статуса. На филогенетическом дереве северо-восточная линия желтой и восточная линия желтоголовой трясогузок являются сестринскими группами, также как и юго-восточная линия желтой и западная линия желтоголовой трясогузок. Западная линия желтой трясогузки оказалась значительно более удаленной от этих четырех линий, вместе образующих монофилетическую группу. Географическая структура распределения гаплотипов в каждой из пяти линий прослеживается слабо. Анализ «иерархических монофилетических групп» (Nested Clade Analysis) показал расширение ареала юго-восточной желтой трясогузки и ограниченный обмен генов с изоляцией расстоянием в популяциях северо-восточной линии желтой и восточной линии желтоголовой трясогузок (Pavlova et al., 2003).
С привлечением анализа мтДНК к решению микроэволюционных вопросов сильно продвинулось изучение гибридизации на основе выявления чужеродных митотипов у гибридизирующих видов. Для целого ряда европейских видов найдены гибридные зоны между расами и подвидами, простирающиеся через Центральную Европу с севера на юг и разделяющие их геномы на западную и восточную формы. Из млекопитающих это, например, две формы домовой мыши Mus domesticus и M. musculus (Dallas et al., 1995; Boursot et al., 1996), землеройки-бурозубки из группы видов Sorex araneus (Taberlet et al., 1994), европейский и белогрудый ежи Erinaceus europaeus и E. concolor (Santucci et al., 1998).
Один из удачных примеров такого рода исследований — изучение гибридизации между четырьмя видами сусликов Поволжья (Ермаков и др., 2002). Секвенирование и рестриктазный анализ контрольного региона мтДНК большого (Spermophilus major), желтого (S. fulvus), малого (S. pygmaeus) и крапчатого (S. suslicus) сусликов выявили у 43% особей большого суслика чужеродные митотипы, специфичные для желтого и малого сусликов.
Быстрая дивергенция мтДНК ограничивает шкалу времени, в пределах которой она может дать полезную информацию на надвидовом уровне, особенно если речь идет о структуре контрольного региона.
Поэтому исследования, имеющие отношение к большим эволюционным промежуткам, предпочтительно проводить на более консервативных последовательностях.
Анализ ядерной ДНК (далее яДНК). Сравнительный анализ филогенетических возможностей ядерных и митохондриальных генов на уровне таксонов высокого ранга показал, что ядерные экзоны (кодирующие участки ядерных генов) более подходят для этих целей, чем гены мтДНК (Springer et al., 2001 в). Причем, это относится как к индивидуальным генам, так и к комбинированным последовательностям многих генов. В связи с меньшей скоростью замещения насыщение сайтов в яДНК происходит медленнее, чем в мтДНК. Различие между разными сайтами по скорости замен в ядерных генах также ниже, чем в митохондриальных, замены распределены равномернее, а вероятность повторных замещений в одном и том же сайте ниже. Предположение о том, что для достижения нужного уровня разрешения дифференциации ветвей на древе для яДНК требуется большая длина последовательности, чем для мтДНК (Arnason et al., 1999), не подтверждается (Springer et al., 2001).
Для исследования таксономических связей на уровне рода и вида более пригодны нуклеотидные последовательности, которые изменяются с большей скоростью. К ним относятся, например, интроны — некодирующие участки гена, которые вырезаются из матричной РНК в процессе сплайсинга. Несмотря на очевидные преимущества, ядерные последовательности реже используют в филогенетических исследованиях, чем митохондриальные, из-за трудностей связанных с их выделением из больших и сложных эукариотических геномов. Как правило, для разных видов изучены последовательности разных генов. Это делает межвидовые сравнения фактически невозможными.
Повторяющиеся последовательности. Существенно больший объем генома, по сравнению со структурными генами, приходится, по-видимому, на селективно нейтральные повторяющиеся последовательноститандемные и диспергированные. К тандемным принадлежит сателлитная ДНК (далее, стДНК) которая составляет от 10 до 20% генома млекопитающих. Степень повторяемости элементов может достигать более 106 копий на геном. Располагается стДНК в гетерохроматиновых участках центромер, т. е. в функционально неактивной области (Беридзе, 1982). Функции высокоповторяющейся ДНК дискуссионны, но основное положение о сателлитах как о «мусорной» или «эгоистической» части генома (Orgel, Crick, 1980) теперь поколеблено (Оловников, 1996; Dimitri, Junakovic, 1999). Их упорядоченная структура сохраняется благодаря концертной эволюции, под которой понимается способ эволюционирования тандемных последовательностей, определяемый взаимодействием различных механизмов молекулярного драйва: неравного кроссинговера, генной конверсии, транспозиции, репликационного проскальзывания и РНК-опосредованной передачи генетической информации (Dover, 1982; 1986). В результате амплификации отдельных элементов или блоков из нескольких элементов повторов и быстрого распространения мутаций по геному происходит гомогенизация семейств повторов. Поэтому стДНК — одна из наиболее динамичных частей генома. Это позволяет использовать стДНК при изучении взаимодействия на популяционном и внутрипопуляционном уровнях. Так, определение молекулярно-генетического статуса алеутских канадских казарок (Branta canadensisJe^c помощью анализа микросателлитных повторов TTUCG4. TTUCG5 и т. д., а также контрольного региона мтДНК позволило выяснить, что две популяции, гнездящиеся на двух островах, являются независимыми. В то же время генетически они оказались гораздо ближе друг к другу, чем к мелкому подвиду, гнездящемуся на материке, -B.c. minima. (Pierson et al., 2000).
Внутривидовое постоянство и таксономическая специфичность стДНК показана также на разных группах насекомоядных, парнокопытных.
Банникова и др., 1995; 1996) и рукокрылых (Матвеев и др., 2000) методом таксонпринта (Федоров и др., 1992). В целом, наличие общих сателлитов у близких видов, видимо, распространенное явление, но большая скорость эволюции стДНК может приводить к так называемой «звездной» филогении (ВасЬшапп е1 а1., 1993). Подробное использование сателлитов в качестве эволюционных маркеров и многочисленные подробные примеры этих исследований по разным группам млекопитающих и других позвоночных изложены в обзоре Гречко (2002).
Для проведения полноценного генетического анализа ключевое значение имеет выбор метода этого анализа и подбор маркера с соответствующим «разрешением». СтДНК, как наиболее динамичная часть генома обладает слишком высокой разрешающей способностью и пригодна больше для выяснения внутри — и межпопуляционных взаимоотношений. Кодирующие части ядерных генов и митохондриальные гены обладают сравнительно низкой изменчивостью и подходят больше для систематических исследований в таксонах более высокого ранга.
Таким образом, три маркера представляются наиболее подходящими для изучения взаимодействия недавно дивергироваших популяций: анализ последовательности контрольного региона (Б-петли) мтДНК, интронов яДНК и анализ частоты микросателлитных локусов яДНК. Два первых метода были использованы в нашей работе. Контрольный регион мтДНК достаточно изменчив для оценки различия между близкими популяциями и видами. Наследуемость мтДНК по материнской линии позволяет выявить направление скрещиваний. Интроны ядерных генов, как правило, обладают меньшей изменчивостью, чем контрольный регион мтДНК. Тем не менее, она достаточна для нахождения полиморфизмов и видоспецифических нуклеотидных замен у близких видов. Ядерная ДНК позволяет оценить текущее взаимодействие геномов популяций и, в сочетании с мтДНК оценить уровень интрогрессии чужеродных генов в фенотипических популяциях.
Цели и задачи работы.
Итоги последних исследований в зоне вторичного контакта P. major и P. minor ставят следующие вопросы. Насколько выражено генетическое взаимодействие между популяциями и как оно меняется в пределах зоны симпатрии и в зависимости от длительности контакта? Как соотносятся фенотипические и генотипические преобразования в популяциях? С последним вопросом тесно связана проблема сохранения морфологической специфики форм в условиях генетической интрогрессии. Ответы на эти вопросы позволят оценить последствия взаимодействия популяций в зоне контакта и определить их статус.
Цель работы состояла в оценке характера и масштаба генетического взаимодействия между популяциями большой (Parus major) и восточной (P. minor) синиц на Среднем Амуре и его динамики в зависимости от длительности контакта. Изучая соотношение фенотипических и генотипических преобразований популяций в зоне симпатрии, мы пытались выявить пути сохранения морфологической специфики форм в условиях генетической интрогрессии. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Оценить генетические последствия гибридизации Parus, major и P. minor на Среднем Амуре.
1.1. Используя анализ митохондриальной ДНК и ядерной ДНК, выявить формоспецифичные генетические маркеры для P. major и P. minor.
1.2. С помощью маркера мтДНК оценить преимущественное направление скрещивания при образовании смешанных пар.
1.3. Оценить изменения уровня генетической интрогрессии в фенотипических популяциях P. major и P. minor в зависимости от года, сезона, а также длительности контакта двух популяций.
2. Оценить характер фенотипических преобразований популяций синиц в зоне симпатрии.
2.1. Оценить сезонные и годовые изменения фенотипической структуры популяций.
2.2. Оценить региональную вариацию фенотипической структуры популяций.
3. Оценить соотношение фенотипической и генетической структуры популяций в зоне симпатрии.
Выводы.
1. Зона симпатрии большой (Parus major) и восточной (P. minoi^VCpe^HeM Приамурье неоднородна по уровню генетической интрогрессии и фенотипической интерградации, причем доля фенотипических и генетических гибридов выше в районах, где виды вступили в контакт совсем недавно.
2. Доля носителей гетероспецифичных аллелей среди фенотипических major значительно превосходит долю фенотипических гибридов.
3. В популяциях фенотипических major уровень интрогрессии по яДНК превышает генетическую интрогрессию, выявленную с помощью маркеров мтДНК. Различие в уровне интрогрессии, обнаруженное с помощью разных генетических маркеров, достигает максимума на востоке зоны симпатрии, где два вида вступили в контакт недавно.
4. Фенотипические minor демонстрируют сходство в уровне интрогрессии по двум разным генетическим маркерам.
5. Высокий уровень генетической интрогрессии в фенотипической популяции перелетных minor позволяет предположить проникновение в северный Китай синиц формы major и образование там гибридной популяции.
6. Фенотипическая стабильность популяций major и minor в зоне симпатрии поддерживается несмотря на значительную взаимную генетическую интрогрессию.
