ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 7, с. 826-829
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 575.8:595.771/285
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ПОПУЛЯЦИЙ БАЙКАЛЬСКОГО ЭНДЕМИКА Sergentia baicalensis Tshern. (Díptera, Chironomidae)
© 2015 г. Л. С. Кравцова1, Ю. С. Букин1, 3, Т. Е. Перетолчина1, Д. Ю. Щербаков1, 2
1Лимнологический институт Сибирского отделения Российской академии наук, Иркутск 664033
e-mail: lk@lin.irk.ru
2Иркутский государственный университет, кафедра генетики, Иркутск 644033 3Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, кафедра физико-химической биологии, Иркутск 644033 Поступила в редакцию 26.06.2014 г.
Исследована популяционная структура эндемичного вида Sergentia baicalensis Tshern. (Díptera, Chironomidae) из оз. Байкал с использованием фрагмента митохондриального гена, кодирующего первую субъединицу цитохром с оксидазы (СО1). Выявлено две популяции, приуроченные к разным котловинам озера: южно-центральной и северной. Установлено, что формирование генетической структуры вида началось в позднем миоцене (9.53 ± 3.9 млн лет) в период существования в байкальской рифтовой зоне географически разобщенных бессточных водоемов.
DOI: 10.7868/S0016675815060089
Фауна хирономид Байкала разнообразна, в ее составе отмечено 166 видов, из них 16 эндемиков [1, 2]. Возникновению эндемичных видов как среди амфибиотических насекомых, так и других байкальских беспозвоночных животных способствовали условия среды обитания в одном из глубочайших и древних озер мира. Своеобразие условий в Байкале определяется особенностями гидрологического, гидрохимического и термического режимов вод, сложностью геоморфологического строения: чаша озера разделена на три котловины (южную, центральную и северную), мелководные платформы и подводные склоны в них рассечены многочисленными каньонами, выходы коренных пород перемежаются с конусами выноса терригенного материала водотоками [3]. Известно, что особенности местообитания беспозвоночных животных накладывают серьезные ограничения на их расселение и способность к обмену генетическим материалом [4—6]. К тому же, занимая определенный ареал, виды часто подразделяются на популяции из-за географических, экологических факторов, влияющих на степень их генетической дифференциации [7]. Поэтому проблема возникновения популяционно-генетической структуры у эндемичных видов насекомых Байкала представляет несомненный интерес. В настоящее время генетическая структура популяций изучена у байкальских бокоплавов Gmelinoides fasciatus, Eulimnogammarus еуапвт и у моллюсков Baicalia carinata [8—10], в то же время сведения о генетической подразделенности популяций эндемичных видов хирономид отсутствуют. Эндемики рода Sergentia подрода Baicaloser-
gentia большую часть жизненного цикла (до 2 лет) проводят в стадии личинки в донных отложениях озера [1]. Из них во всех котловинах озера на песчаных и илистых грунтах, как на мелководье, так и на глубинах до 100 м, наиболее часто встречаются личинки Sergentia baicalensis. Учитывая способность хирономид к расселению в воздушной среде, возникает вопрос, существует ли географическая дифференциация популяций у эндемичных для Байкала видов этой группы беспозвоночных животных?
Цель работы заключалась в исследовании по-пуляционной структуры эндемика S. baicalensis оз. Байкал на основе анализа изменчивости нук-леотидных последовательностей гена первой субъединицы митохондриальной цитохром с оксидазы (СО1).
Личинки S. baicalensis были собраны в южной, центральной и северной котловинах оз. Байкал (рисунок, а) в 2010—2012 гг. на глубинах до 100 м и зафиксированы в 70%-ном этаноле. ДНК экстрагировали из средней части тела личинок по методике Дойла и Диксон [11]. Амплификацию фрагмента митохондриального гена С01 проводили с использованием универсальных праймеров [12]. Полимеразная цепная реакция включала этап пре-денатурации при 94°С в течение 3 мин, 30 циклов амплификации со следующим температурным профилем: денатурация при 94°С — 30 с, отжиг праймера при 41°С — 45 с, элонгация при 72°С — 60 с и этап постэлонгации при 72°С в течение 5 мин.
Для определения уникальных гаплотипов расшифрованных последовательностей СО1 исполь-
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ПОПУЛЯЦИЙ 827
Генетическая структура популяций хирономид эндемичного вида 8. Ьа1еа1вт18. а — карта районов сбора образцов личинок хирономид: Ю.К. — южная, Ц.К. — центральная и С.К. — северная котловины оз. Байкал. Пунктирными линиями обозначены границы котловин озера; б — простирающееся древо гаплотипов СО1, построенное с помощью программы ТС8; в — гистограмма распределения попарных генетических дистанций образцов из разных котловин оз. Байкал.
зовали программу DNASP [13]. Популяционную структуру вида исследовали путем построения медианной сети гаплотипов по методу максимальной экономии, в программе TCS [14]. Построение графика распределения попарных генетических дистанций, оценку генетического разнообразия (я), тест Таджимы (Tajima's D) на нейтральность эволюции используемого маркера проводили с помощью программы DNASP [13]. Достоверность (Фй) генетической подразделен-ности вида по AMOVA и степень изоляции популяций по /^-критерию оценивали в программе ARLEQUIN 3.0 [15].
Время возникновения предковых форм выявленных популяций оценивали байесовским методом с использованием строгих молекулярных ча-
сов с помощью программы MrBayes 3.2 [16]. Расчетные параметры были следующими: два независимых запуска программы по 20000000 генераций для четырех марковских цепей Монте-Карло с частотой отбора параметров каждой 1000-й генерации, исключая как шум первые 25% генераций. В качестве модели нуклеотидных замен использовали GTR + I + G, определенную в программе jModelTest 0.1 [17]. Остальные параметры были использованы без изменений. Сходимость результатов байесовского анализа оценивали по значениям эффективного размера выборки (ESS). Для калибровки древа в качестве исходной точки отсчета использовали время расхождения палеарктического вида Sergentia baueri с
828 КРАВЦОВА и др.
Характеристика популяций S. baicalensis на основе молекулярного маркера СО1
Популяция N H h ± m п Tajima's D t ± m
А 48 26 0.9 ± 0.0007 0.0062 -0.73 (0.46) 4.79 ± 2.4
Б 17 10 0.9 ± 0.0037 0.0087 -0.88 (0.37) 5.29 ± 2.8
Примечание. N — количество последовательностей С01; H — число гаплотипов; h — разнообразие гаплотипов; п — нуклеотид-ное разнообразие; ТаДша^ D — тест на нейтральность эволюции Таджимы, в скобках указана вероятность; t — время (млн лет) существования общего предка для популяции; m — стандартная ошибка.
сестринскими видами — байкальскими эндемиками, равное 38 млн лет [18].
В ходе исследования было получено 65 последовательностей фрагмента гена СО1 Б. Ьaicalensis (длиной 621 пн), представленных 36 уникальными гаплотипами. Среди них 28 гаплотипов представлены одной последовательностью, четыре га-плотипа — двумя последовательностями, два гап-лотипа — четырьмя последовательностями и два гаплотипа — 10 и 11 последовательностями.
Медианная сеть гаплотипов образует две большие клады (рисунок, б). Первая клада (А) объединяет гаплотипы из районов, расположенных вдоль западного побережья южной и центральной котловин озера: Лиственничный залив, Варначка, бух. Бабушка, бух. Ая и м. Арал (у выхода из пролива Малое Море). Вторая клада (Б) образована гаплотипами из северной котловины Байкала: губа Фролиха, Чивыркуйский залив, о. Б. Ушканий, а также м. Арал, бух. Бабушка (рисунок, а). Анализ медианной сети показывает, что гаплотипы первой клады встречаются преимущественно в южной и центральной котловинах Байкала, а гаплотипы клады Б — в северной котловине озера. Следовательно, в оз. Байкал возможно существование, по крайней мере, двух популяций вида Б. Ьaicalensis. Кроме того, наличие двух популяций Б. Ьaicalensis наглядно иллюстрирует бимодальное распределение попарных генетических дистанций (рисунок, в).
Тест АМОУА (Фй = 0.54, Р < 0.05), рассчитанный для групп гаплотипов, выделенных по географической принадлежности к южно-центральной и северной котловинам Байкала, свидетельствует о достоверности их различий. По тесту Таджимы (Та^Цта^ D) эволюция исследуемого гена была нейтральной (таблица).
Популяции Б. Ьaicalensis незначительно различаются по нуклеотидному разнообразию (я) и по времени появления их предковых форм (таблица). Кроме того, между этими популяциями наблюдается небольшой поток генов = 0.5) в районах мыса Арал, бухты Бабушка.
Пространственно-генетическая структурированность популяций наблюдается не только у эндемика Байкала Б. Ьaicalensis, но и у других видов хирономид. Например, подразделенность на гап-логруппы отмечена у эндемичных видов хироно-
мид Антарктики Belgica antarctica, B. albipes и Австралии — Echinocladius martini. Особенности генетической структуры у двух первых видов обусловлены их сохранением в плейстоценовый ледниковый период в рефугиумах Антарктики, а у последнего — чередованием засушливого и дождливого климата на австралийском континенте в плиоцен—плейстоцене [19, 20]. Возникновение пространственно-генетической дифференциации вида S. baicalensis приходится на поздний миоцен (9.53 ± 3.9 млн лет). В этот период в южно-центральной байкальской впадине существовал крупный глубоководный (до 500 м) водоем, а северобайкальская впадина была суходольной и отделена сухопутным Ольхонско-Академическим поднятием фундамента. Вдоль западных бортов северобайкальской впадины располагались небольшие разрозненные озерные и озерно-болот-ные бессточные тепловодные бассейны [21]. По-видимому, географическая разобщенность водоемов способствовала генетической дифференциации популяций S. baicalensis, которая продолжала сохраняться и в период образования (не ранее 6— 7 млн лет) Байкала как единого глубоководного водоема [22]. Время существования предковых форм современных популяций S. baicalensis (таблица) приходится на период сформировавшегося Байкала, в котором был уже общий водообмен между котловинами и отсутствовали географические изолирующие барьеры.
Таким образом, в Байкале эндемичный вид ам-фибиотических насекомых S. baicale
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.