ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 1, с. 63-77
ГЕНЕТИКА ЖИВОТНЫХ
УДК 575.86:597.553.2
ФИЛОГЕНИЯ ГОЛЬЦОВ РОДА Salvelinus ПО ДАННЫМ АНАЛИЗА МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК
© 2015 г. А. Г. Олейник1, Л. А. Скурихина1, Вл. А. Брыков12
Институт биологии моря им. А.В. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток 690041 e-mail: alla_oleinik@mail.ru
2Дальневосточный федеральный университет, кафедра клеточной биологии и генетики, Владивосток 690600
Поступила в редакцию 17.03.2014 г.
Гольцы рода Salvelinus (включая Salvethymus) являются монофилетической группой лососевых рыб, дивергировавшей от общего предка, без разделения на подродовые таксоны. В филогенезе рода прошло четыре цикла дивергенции митохондриального генома. Первый, относящийся к позднему миоцену, границе между миоценом и плиоценом (6—4 млн лет назад), связан с последовательной дивергенцией базальных ветвей S. fontinalis, S. namaycush, S. levanidovi и S. leucomaenis. На период 3— 2 млн лет назад попадают два дивергентных события: обособление предковой линии западной тихоокеанской группы S. m. krascheninnikovi, и последующее разделение общего предка рода на два мито-хондриальных филума. Следующий цикл относится к временному отрезку около 1 млн лет назад и включает дивергенцию обоих филумов. В одном филуме сравнительно быстро произошли обособление арктической и восточной тихоокеанской филогрупп и дивергенция общего предка последней на линии S. confluentus и S. m. lordi. Второй филум в это же время дивергировал на филогенетические группы S. m. malma и S. alpinus. На последнем этапе, в среднем—позднем плейстоцене, происходила дифференциация таксонов внутри филогенетических групп.
DOI: 10.7868/S0016675815010099
Гольцы рода Salvelinus (Salmoniformes: Salmo-nidae) являются важной составной частью арктических и субарктических пресноводных экосистем Европы, Восточной Сибири, северо-востока Азии и Северной Америки, относящихся к бассейнам Тихого, Атлантического и Северного Ледовитого океанов. При этом степень морфоэкологи-ческой изменчивости гольцов оказалась намного выше, чем у других представителей ихтиофауны северных арктических сообществ. Большинство исследователей отмечают, что гольцы — одна из самых интересных и одновременно сложных в таксономическом отношении групп среди лососевых рыб. Поэтому, несмотря на хорошую морфологическую изученность [1—4 и др.], многие принципиальные вопросы филогении рода остаются невыясненными. В этой связи молекулярно-гене-тические исследования гольцов, несомненно, представляют интерес, так как позволяют определять генетические различия между популяциями, находящимися на разных уровнях фенотипиче-ской дивергенции, и таким образом способствуют установлению иерархии родственных связей таксонов, их взаимной обособленности, времени возникновения и степени дивергенции от общего предка рода.
Перспективы решения филогенетических проблем в молодых близкородственных группах, к которым относятся и гольцы рода Salvelinus,
связаны с использованием анализа митохондри-альной ДНК. В этом случае применение более медленно эволюционирующих ядерных маркеров часто сталкивается с проблемой ограниченного числа филогенетически информативных признаков (синапоморфий), что приводит к построению политомических дендрограмм с большим числом слабо поддержанных узлов. Однако, несмотря на большое количество публикаций [5—17 и др.], к настоящему времени не удалось синтезировать все имеющиеся данные в обобщенную филогению митохондриальных групп, согласованную с морфологической филогенией рода Salvelinus. Наши исследования генетической дифференциации и дивергенции гольцов рода Salvelinus на основании PCR-RFLP анализа фрагментов мтДНК [11—13] позволили получить представление об эволюции основных филогенетических групп гольцов. Но предложенная филогенетическая гипотеза не была свободна от ограничений, связанных с составом анализируемых таксонов и признаков. Поэтому полученную реконструкцию и сформулированную на ее основе филогенетическую гипотезу [11] мы изначально рассматривали как предварительную, требующую подтверждения для расширенного состава таксонов. Все это стимулировало проведение дальнейших филогенетических исследований гольцов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Работа основана на оригинальном материале из коллекции авторов, собранном в период с 1995 по 2005 г. Исследованы следующие гольцы рода Salvelinus: белый голец S. albus, арктический голец S. alpinus alpinus и S. a. oquassa, чукотский голец S. andriashevi, бычья форель S. confluentus, голец Крогиус S. krogiusae, длинноголовый голец S. kronocius, кунджа S. leucomaenis, голец Левани-дова S. levanidovi, северная мальма S. malma mal-ma, южная азиатская мальма S. m. krascheninnik-ovi, южная североамериканская мальма S. m. lordi, носатый голец S. schmidti, голец Таранца S. taranetzi, начикинский голец Salvelinus sp. 4 [согласно: 18], Salvelinus sp. (табл. 1). В качестве внешней группы в анализ был включен атлантический лосось Salmo salar. Подробно общая схема лабораторного протокола анализа мтДНК изложена ранее [11—13]. В соответствии с задачами исследований использовали разные наборы из 20 рестрикционных эндонуклеаз ("MBI Fermentas", Литва; "СибЭнзим", Россия): AsuI, Aval, AvaII, BstNI, BstUI, Ddei, EcoRV, Hhai, Hinfi, Mboi, Mboii, Mspi, Rsai, StyI, BsuRI, Vspi, Bcli, SspI, Bme1390I, TaqI. Данные о размерах фрагментов рестрикции и составе комбинированных гапло-типов могут быть получены по запросу от авторов. Математический анализ данных проводили, используя пакеты филогенетических программ MRBAYES version 3.2 [19], PAUP version 4.0b10 [20], PHYLIP 3.67 [21], REAP [22].
При формировании таксон-признаковых матриц для филогенетического анализа в качестве признаков рассматривали рестрикционные сайты, в качестве операционных таксономических единиц (OTU) — комбинированные гаплотипы мтДНК или выделенные таксономические группы. Статистический анализ включал фенетиче-ский анализ генетического сходства по всему массиву признаков, филогенетический анализ родственных отношений, кладистический анализ филогенетически информативных признаков для определения последовательности дивергенции, тестирование устойчивости связей при изменении количества и качества дифференцирующих признаков, состава терминальных групп, с использованием дистанционных (UPGMA, NJ) и признаковых (MP, ML, BI) методов.
Для построения дендрограмм на основании алгоритмов кластер-анализа (UPGMA, NJ) в качестве меры генетических дистанций между гап-лотипами мтДНК использовали оценки нуклео-тидной дивергенции. Расчет выполняли по оригинальным, разработанным для рестрикционных сайтов [23—25], и модифицированной (K2P) [26] формулам. В случае, когда в качестве терминальных групп выступали таксоны, нуклеотидная дивергенция оценивалась на основе эволюционной
модели Неи и Таджимы [27, 28] (программа DA в пакете REAP). В дальнейшем матрицу дистанций переносили в PHYLIP 3.67 для кластеризации и тестирования топологии дендрограмм. Фенетиче-ский анализ в программах PAUP 4.0b10 и PHYLIP 3.67 (шаги: RESTDIST SEQBOOT NEIGHBOR, CONSENSE) был последовательно выполнен для каждой матрицы данных. На этом этапе также проведено тестирование устойчивости связей в зависимости от количества и качества дифференцирующих признаков, выбранной модели нук-леотидных замещений для расчета парных дистанций.
Филогенетический анализ методом максимальной экономии (MP) для каждого набора признаков был выполнен для нескольких моделей замещений нуклеотидов с использованием двух поисковых стратегий (heuristic search, branch-and-bound). Программа в пакете PAUP 4.0b10 выполняла эвристический поиск оптимального дерева (опции TBR и MulTrees) в 100 повторностях с ограничением максимально возможного числа деревьев до 1000. В случае, когда не удавалось обнаружить одного лучшего дерева, различия между альтернативными топологиями оценивали с помощью тестов Темплетона [29] и Кишино—Хэсегавы [30]. Поиск оптимального MP-дерева также был выполнен по branch-and-bound алгоритму программы PENNY, среди 1000 псевдослучайных реплик, полученных из исходной матрицы в программе SEQBOOT.
Филогенетический анализ методами максимального правдоподобия (ML, BI) выполнен на основе оптимальной для рестрикционных сайтов модели нуклеотидных замещений F84 [30], а priori выбранной программой MRBAYES 3.2. Эвристический поиск наиболее правдоподобного ML-де-рева проводили в 30—100 повторностях (опция TBR) со случайным характером включения OTU. Анализ методом Байесовского максимального правдоподобия (BI) выполняли при следующих заданных параметрах алгоритма Монте-Карло (MCMC): одновременный запуск десяти цепей Маркова (девяти "горячих" и одной "холодной"), 5100000 циклов, отбор каждого 500-го и исключение первых 5001 из генерированных деревьев (burnin = 5001). Реконструкция кладограмм выполнена методом максимальной экономии, на основе максимального количества филогенетически информативных (синапоморфных) признаков, с использованием эвристического поиска в программе PAUP 4.0b10 и branch-and-bound алгоритма в программе PENNY. Во всех вариантах сохранялись описанные выше параметры анализа.
Достоверность всех топологий оценивалась бутстрэпом [31], включающим 1000 итераций для каждого набора данных. Устойчивость точек ветвления определяли по значениям бутстрэп-под-
ФИЛОГЕНИЯ ГОЛЬЦОВ РОДА Salvelinus Таблица 1. Данные об исследованных таксонах гольцов рода Salvelinus
Таксон Локальность(обозначение) Объем выборки
N1 N2
S. leucomaenis зал. Измены (LEIZ)*, р. Камчатка (LEKA) 3 10
S. levanidovi р. Яма (LVYA )* 13 13
S. taranetzi оз. Аччен (TRAC)*, оз. Пекульнейское (TRMP) 27 15
S. krogiusae оз. Дальнее (KGDA)* 5 5
S. andriashevi оз. Эстихед (ANES)* 2 2
Salvelinus sp. 4 оз. Начикинское (SPNA)* 17 17
S. alpinus alpinus оз. Лама, оз. Арилах, оз. Айли (ARGA.002-014)* оз. Фъеллфросватнет (Fjellfrosvatnet Lake) (ARGA.015-017)*, оз. Ситасьяуре (Sitasjaure Lake) (ARLS), оз. Макрос (Muckross Lake) (AMUC) 49 9
S. alpinus oquassa пруд Фладс (Floods Pond) (ARMA)* 22
S. albus р. Радуга (ALKA)*, оз. Кроноцкое (ALKR) 58 10
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.