научная статья по теме ФИЛОГЕНИЯ ГОЛЬЦОВ РОДА SALVELINUS ПО ДАННЫМ АНАЛИЗА МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК Биология

Текст научной статьи на тему «ФИЛОГЕНИЯ ГОЛЬЦОВ РОДА SALVELINUS ПО ДАННЫМ АНАЛИЗА МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК»

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.

Показать целиком