УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2012, том 132, № 1, с. 16-20
УДК 575:57.07
"ИСКОПАЕМАЯ" МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ ДНК В СОВРЕМЕННЫХ ГЕНОФОНДАХ
© 2012 г. И. А. Захаров
Институт общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН, Москва E-mail: iaz34@mail.ru
Рассмотрены случаи присутствия в современных генофондах животных и растений вариантов ми-тохондриальной ДНК (митотипов), отличающихся на видовом уровне, причем один из вариантов был включен в генофонд в результате межвидовой гибридизации, а вид-донор этого митотипа неизвестен и, по всей вероятности, вымер. У насекомых сохранению "ископаемого" митотипа могут способствовать симбиотические бактерии, которые, как и митохондрии, передаются по материнской линии.
Ключевые слова: митохондриальная ДНК, цитохром оксидаза, генофонды, двуточечная божья коровка, дрозофила, белый медведь, смолевка бесстебельная.
Митохондриальная ДНК (мтДНК) чрезвычайно широко используется в изучении систематики организмов и их эволюции. Небольшой размер молекулы (у животных около 15 000 пар оснований), содержание в клетке в тысячах копий, наконец, структура молекулы в форме замкнутого кольца - все это обеспечивает хорошую сохраняемость мтДНК и возможность ее выделения из археологических и палеонтологических материалов. Ярким примером успешной работы с древней мтДНК является определение последовательности оснований в мтДНК мамонта [13] и неандертальского человека [10, 12]. Считается, что при использовании современных методов мтДНК можно выделить из биологических материалов, сохранявшихся в наиболее благоприятных условиях до 100 тыс. лет [18].
Помимо палеонтологических объектов ископаемая (т.е. свойственная вымершим видам или популяциям) мтДНК была в нескольких случаях обнаружена в генофондах современных популяций. В настоящей статье будут рассмотрены четыре таких наиболее показательных случая.
ДВУТОЧЕЧНАЯ БОЖЬЯ КОРОВКА АБАЫА В1РиТМСТАТА
Божья коровка АёаИа ЫрипС^а Ь. (Coleoptera, Соссте1Шае) - исключительно широко распространенный вид. Ее ареал охватывает умеренные области и Старого, и Нового Света. Популяции
Евразии давно изучались, но внимание энтомологов и генетиков привлекала изменчивость морфологических признаков (окраска надкрылий и переднеспинки). Лишь в 2002 г. Шуленбург и соавторы (включая автора настоящей статьи) [14] изучили полиморфизм мтДНК в нескольких популяциях, при этом более полные данные были получены для двух европейских популяций -Москвы (Россия) и Билефельда (Германия). При изучении последовательности нуклеотидов двух генов - субъединицы 1 цитохром оксидазы (COI) и субъединицы 5 NADH дегидрогеназы было выявлено 10 митотипов.
В дальнейшем мы [1] более детально изучили популяцию Санкт-Петербурга, где было найдено еще 7 митотипов по гену COI. Наиболее часто встречающийся митотип был обозначен как Н1. 14 из остальных митотипов отличались от Н1 1-4 заменами на наиболее изменчивом участке в средней части гена длиной 532 нуклеотида. От всех этих 15 митотипов резко отличаются два -Н9 и Н10.
Джиггинс и Тинслей [9] определили, что время расхождения митотипа Н10 и остальных составляет 2.1-2.5 млн лет. Если принять частоту возникновения мутаций в мтДНК адалий как и у дрозофилы 6.2 х 10-8 [6], то при 1 поколении в год время дивергенции составляет 1.130 млн лет. При числе поколений в год в среднем 1.5 время дивергенции - 750 тыс. лет. Мы (в печати) также попытались оценить уровень дивергенции митотипов Н1, Н9 и Н10, для чего сравнили стандартную после-
довательность начала гена COI длиной 571 нук-леотид, которая широко используется в так называемом штрихкодировании (barcoding) геномов. Различие между митотипами Н1 и Н10 составляет 7.00%, между Н1 и Н9 - 4.55%. Ю.Ф. Картавцев свел данные по тысячам видов животных, включая и насекомых [2]: внутрипопуляционные различия между популяциями составляют в среднем 0.89, между подвидами и близнецовыми видами - 3.78, между морфологически отличающимися видами одного рода - 11.06. Таким образом, различия митотипов Н1 и Н10 приближаются к уровню различий "хороших" видов.
Важно было показать, что особи с митотипом Н10 и с другими митотипами составляют единую популяцию. Для этого Джиггинс и Тинслей сравнили выборки особей митотипов Н10 и Н7 по аллелям одного из ядерных генов [9], а мы сопоставили последовательности спейсера рибо-сомального локуса в выборках особей митотипа Н10 и других митотипов. И в том, и в другом исследовании разницы между особями разных митотипов не было найдено.
О древности сосуществования в генофонде вида A. bipunctata митотипов группы Н1 и Н10 говорит и тот факт, что одинаковый полиморфизм по мтДНК обнаруживается как в европейских популяциях, так и в популяции из Бурятии (в печати). При этом популяция из Забайкалья относится к особому подвиду, описанному Лу-сисом - A. bipunctata fasciatopunctata [4]. Таким образом, митотипы Н10 и остальные сосуществовали в предковой популяции A. bipunctata до того, как этот вид расселился по Евразии от Западной Европы до Забайкалья и до того, как дифференцировался подвид A. bipunctata fasciatopunctata, отличающийся от европейской формы узором на надкрылиях. Приведенные факты свидетельствуют о древности митохондриального полиморфизма A. bipunctata, хотя и не позволяют определить его возраст.
От какого таксона рода Adalia происходит ми-тотип Н10? Наиболее близки к A. bipunctata три вида рода Adalia: A. decempunctata, A. tetraspilota, A. frigida [4]. Ареал A. decempunctata охватывает умеренные области Европы, где A. decempunctata и A. bipunctata сосуществуют. Спаривание между ними возможно, но развитие яиц не происходит. A. tetraspilota - индийский вид, встречающийся и в южной части территории государств - бывших республик советской Средней Азии. В частности, в Ташкенте (Узбекистан) по данным Лусиса оба вида сосуществуют [4]. Лусис указывает, что эти виды репродуктивно изолированы. Наконец,
A. frigida обитает на севере Евразии, от Скандинавии до Якутии. По нашим наблюдениям в Архангельске A. bipunctata и A. frigida обитают совместно. Насколько они генетически изолированы - не вполне ясно. Мы совместно Е.В.Шай-кеквич определили нуклеотидные последовательности начальной части гена COI (области, используемой при штрихкодировании) четырех видов рода Adalia, в том числе митотипов Н1, Н9, Н10 A. bipunctata. Митотипы Н9 и Н10 показывают некоторое сходство с последовательностью A. frigida, но существенно отличаются и от нее, и от последовательностей других видов. Вероятно, в настоящее время в природе не сохранился тот вид, от которого A. bipunctata заимствовала при гибридизации митотип Н10.
Для понимания того, какие факторы обеспечили сохранение в генофонде A. bipunctata привнесенных в результате межвидовой гибридизации митотипов Н9 и Н10, важным является следующее обстоятельство. Особи митотипов Н9 и Н10 в большинстве заражены цитоплазматической симбиотической бактерией Rickettsia AB [17], которая проявляет способность убивать самцов на ранней стадии эмбрионального развития. Зараженные самки оставляют только женское потомство, при этом, как указал еще Лусис [3] имеют определенное преимущество перед неза-раженными: вылупляющиеся личинки поедают неразвившиеся яйца с мужскими эмбрионами и таким образом получают с самого начала запас корма для прохождения первых стадий развития. Цито плазматические бактерии, как и митохондрии, передаются потомству трансовариально, т.е. по женской линии, обнаруживая своеобразный эффект "неравновесия по сцеплению" с мтДНК. Биологическое преимущество самок, дающих бессамцовое потомство, может обеспечить как сохранение в популяции зараженных линий, так и поддержание "сцепленных" с инфицированно-стью митотипов.
Можно предположить следующий сценарий происхождения современного генофонда A. bipunctata. Некогда симпатрически сосуществовали два или три близких вида - A. bipunctata и Adalia Y, Adalia Z последние с мтДНК типа Н9 и Н10. Особи Adalia Y, Z оказались зараженными риккетсией, инфекция привела к резкому сокращению числа самцов этих видов. Дефицит самцов способствовал скрещиванию самок Adalia Y, Z с самцами A. bipunctata. Гибридные самки повторно осеменялись самцами A. bipunctata. В дальнейшем виды Adalia Y, Z исчезли, а их мтДНК вошли в генофонд A. bipunctata. При расселении последнего вида по территории Евразии и его
дифференциации на подвиды, митотипы Н9 и Н10, "сцепленные" с риккетсией, сохранились до сих пор в большинстве популяций A. bipunctata.
DROSOPHILA QUINARIA
Drosophila quinaria Loew. (Diptera, Drosophi-lidae) - вид, обитающий в восточной части Северной Америки. В одной из изученных популяций были обнаруженбы особи, зараженные цитоплаз-матическим симбионтом Wolbachia [б]. Заметного влияния на фенотип хозяина эта бактерия не оказывает; однако, авторы работы предполагают, что инфицированные мухи имеют какое-то биологическое преимущество, возможно, они устойчивы к вирусным инфекциям [б].
Изучение изменчивости мтДНК по гену COI в популяциях Drosophila quinaria выявило значительный полиморфизм. При этом обнаруженные варианты мтДНК группировались в два кластера, обозначенные G и F. В первом объединились митотипы незараженных мух, во втором - трех зараженных и одной незараженной особи. По нуклеотидным последовательностям митотипы G и F показали 6.7% различий (уровень межвидовых различий) [б]. С учетом скорости возникновения мутаций в мтДНК было определено время дивергенции митотипов G и F; оно оказалось равным 9000 лет (доверительный интервал - 1200-23 500 лет).
Изучение полиморфизма 5 ядерных генов показало, что мухи с митотипами G и F по ядерным маркерам образуют единую популяцию. Сравнение вариантов G и F митохондриального гена COI с последовательностями этого гена 21 близкого вида дрозофил не выявило вариантов мтДНК, сходных с F, у каких-либо других видов, помимо D. quinaria [б].
Авторы рассмотренной работы заключают, что современная популяция D. quinaria, в которой сосуществуют инфицированные и неинфициро-ванные особи, некогда приобрела митотип F и симбиотическую бактерию в результате межвидовой гибридизации. Вид-донор инфекции впоследствии исчез, а его мтДНК сохр
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.