УДК 57.06
МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ И ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ПРОБЛЕМАМ ВИДОВОЙ ДИАГНОСТИКИ, СИСТЕМАТИКИ И ФИЛОГЕНЕТИКИ
© 2009 г. В. А. Лухтанов1' 2, В. Г. Кузнецова1
1Зоологический институт РАН 199034 С.-Петербург, Университетская наб., 1 2С.-Петербургский государственный университет 199034 С.-Петербург, Университетская наб., 7/9 e-mail: lukhtanov@mail.ru e-mail: karyo@zin.ru Поступила в редакцию 27.05.2008 г.
Современные подходы систематики и филогенетики, основанные на статистическом анализе молекулярных данных, позволяют проводить диагностику и объективную делимитацию таксонов, устанавливать родственные связи, выявлять монофилетические группы, проверять естественность политипических видов, обнаруживать криптические эволюционные линии, вскрывать историю возникновения и расселения видов и популяций и реконструировать филогенезы. Однако имеются ограничения в использовании молекулярных признаков, связанные в первую очередь с невозможностью изучения палеонтологического материала. Хромосомные перестройки сочетают преимущества молекулярных и морфологических признаков с уникальными особенностями их эволюции. Консервативные участки геномов могут быть синапоморфиями таксонов высокого ранга, а лабильные районы надежно маркируют эволюционные события, связанные с видообразованием. Новые хромосомные перестройки быстро фиксируются в гомозиготном состоянии, и это позволяет решить такую проблему систематики близких видов, как полиморфизм стандартных маркеров (особенно молекулярных), часто перекрывающий по своему размаху уровень межвидовых различий. Это приводит к тому, что карио систематика, вооруженная таким современным методом изучения хромосом, как FISH, сохраняет и даже усиливает свое значение в качестве инструмента для решения таксономических и филогенетических задач.
Из опыта общения с коллегами и из публикаций мы знаем, что оценки возможностей и перспектив молекулярно-генетических и цитогенетиче-ских подходов к решению проблем систематики и филогенетики могут очень сильно различаться. С одной стороны, при просмотре современной, особенно англоязычной, литературы может показаться, что использование молекулярно-генетиче-ских методов начинает вытеснять классический подход, основанный на сравнении морфологических данных. Некоторыми авторами даже ставится вопрос о том, нужны ли вообще морфологические исследования (Scotland, 2003). С другой стороны, в литературе, особенно отечественной, можно найти прямо противоположные высказывания. Например, "...программа молекулярной систематики - очередное новое варварство... [В ней] работает довольно много людей с ... наивными представлениями о том, что, ухватившись
за гены, они прямо держат в руках историю... Это пройдет... " (Любарский, 2006, с. 392) . "Боюсь, что это было опрометчивое решение - взять на вооружение молекулярные методы" (Расницын, 2006, с. 387).
Нам кажется, что, как обычно, истина лежит где-то посредине, но в рамках данного обзора мы не хотим вступать в дебаты по этому поводу. Мы также не будем описывать принципы и методы филогенетического анализа морфологических, молекулярных и хромосомных признаков, поскольку на эту тему имеются многочисленные обзоры и монографии (см., например, Павлинов, 2005; Page, Holmes, 1998; Felsenstein, 2004; Hall, 2004; Dobigny et al., 2004), а соответствующие компьютерные программы общедоступны или недороги (http://www.megasoftware.net/; http://paup. csit.fsu.edu/; http://evolution.genetics.washington. edu/phylip.html; http://www.tree-puzzle.de/; http://
www.mrbayes.net). Наша задача значительно скромнее: мы хотим показать преимущества и недостатки подходов, основанных на использовании молекулярных и цитогенетических данных, по сравнению с традиционными методами и оценить перспективы их использования в систематике и филогенетике.
Все три подхода объединяет то, что они оперируют признаками, которые, несмотря на их специфику, можно использовать достаточно стандартно, в рамках любой методологии систематики, будь то кладизм, эволюционная систематика или фенетика. Исторически цитогенетические, или, как их еще называют, кариологические, методы в систематике возникли гораздо раньше, чем молекулярные: в начале XX в., еще на заре развития генетики. Молекулярные подходы возникли значительно позже, вначале в виде методов, основанных на анализе серологических реакций, электрофорезе белков и гибридизации ДНК, которые, однако, в последние годы были потеснены методами прямого анализа химической структуры молекул, в первую очередь методом секвени-рования ДНК.
1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ПРИЗНАКИ
Элементарным молекулярным признаком является единичный нуклеотидный сайт (=нуклеотид-ная позиция), который может иметь четыре состояния в зависимости от нуклеотида, который его образует. Для ДНК этими нуклеотидами являются адениловая (А), гуаниловая цитидиловая (С) и тимидиловая (Т) кислоты. Для РНК нуклеотидами являются адениловая (А), гуаниловая цитидиловая (С) и уридиловая (и) кислоты.
В результате гомологизации (так называемого выравнивания) нуклеотидных последовательностей разных таксонов или особей может возникать пятое состояние нуклеотидного сайта - пробел, т.е. отсутствие нуклеотида в данной позиции. Пробел является следствием либо делеции (выпадения) нуклеотида в изучаемой последовательности, либо инсерции (вставки) в последовательности родственного таксона. Следует иметь в виду, что, хотя пробелы являются филогенетически информативными состояниями, отражающими реальные процессы инсерций и делеций, физически в нуклеотидной последовательности они не существуют.
В качестве молекулярных признаков можно рассматривать и комплексы нуклеотидов: нуклео-тидные последовательности и целые гены. Такие комплексные признаки отличаются друг от дру-
га либо 1) инсерциями, делециями, повторами и перестановками целых блоков нуклеотидов, либо 2) пространственной структурой молекул. При этом признаки первого типа по сути близки к хромосомным перестройкам, а признаки второго типа являются морфологическими признаками.
Полипептиды также являются молекулярными признаками. Говоря о полипептидах, в качестве элементарного молекулярного признака надо признать аминокислоту, а в качестве комплексного признака - белок.
Элементарные молекулярные признаки - нук-леотиды и аминокислоты - просты и хорошо изучены. Известны не только их химическая структура, но и закономерности их распространения в разных частях генома и у разных организмов, а также закономерности их эволюционных трансформаций (Page, Holmes, 1998).
С позиций систематики и филогенетики, как нам представляется, важны следующие четыре свойства элементарных молекулярных признаков:
1) они являются такими же полноценными признаками, как и другие черты строения организмов. Их можно применять для идентификации особей и таксонов. Они несут филогенетический сигнал, и их можно использовать для выявления родственных связей;
2) они дискретны и могут быть очерчены однозначно и совершенно объективно, без элемента неопределенности или относительности, который часто присутствует при выделении морфологических признаков;
3) однозначная связь между генотипом и фенотипом превращает их в полноценные генетические маркеры, которые можно использовать без предварительного гибридологического анализа их наследования (последнее совершенно необходимо при использовании в качестве маркеров морфологических признаков). Это позволяет подключить к решению задач систематики целый арсенал средств, разработанных в популяционной генетике;
4) их очень много. Геномы высших организмов состоят из миллиардов нуклеотидов, соответственно имеются миллиарды признаков и еще больше их состояний. Систематики обычно оперируют не полными геномами, а их небольшими фрагментами. Но даже в этих случаях обычно удается обнаружить десятки, а то и сотни филогенетически информативных сайтов. Конечно, это число намного превышает среднее число обычных морфологических признаков, имеющих значение при сравнении таксонов.
1.1. Видовая диагностика и ДНК-баркодинг
Наибольшие успехи молекулярных подходов к систематике живых организмов достигнуты в области видовой идентификации. Это объясняется тем, что для определения видов не требуются сложные филогенетические реконструкции. Нужны просто диагностические признаки. Поскольку любой вид живых организмов содержит миллионы видоспецифичных участков ДНК, то молекулярная идентификация не составляет сейчас научной проблемы.
В настоящее время разрабатываются две системы, которые можно использовать для определения видов на основании сравнения нуклеотидных последовательностей. Первая система является компонентом Международного генетического банка (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/), в котором в свободном доступе находится практически вся накопленная в мире информация по нуклеотид-ным и аминокислотным последовательностям. При помощи Интернета можно ввести в Генбанк данные о нуклеотидной последовательности объекта, который необходимо идентифицировать, и, используя функцию BLAST, получить через несколько секунд группу сходных сиквенсов (=нук-леотидных последовательностей) с их видовым определением и указанием процента сходства между ДНК определяемого образца и ДНК образцов из Генбанка. Если уровень сходства превышает 99%, то вероятность, что сравниваемые образцы конспецифичны, весьма велика, хотя и не равна единице по двум причинам. Во-первых, близкие виды могут не различаться по традиционно изучаемым фрагментам ДНК (см. ниже). Во-вторых, в отдельных случаях уровень внутривидовой генетической изменчивости может превышать межвидовые отличия. Кроме того, этот подход не гарантирует успех еще и по той причине, что определяемого вида может не быть в базе данных Генбанка, а система проверки этой базы на полноту и правильность видовых определений отсутствует. Тем не менее несомненно, что информация, найденная в Генбанке, может быть полезна для идентификации.
Гораздо более совершенная система определения видов была создана в рамках международной инициативы, получившей название ДНК-баркодинга (http://barcoding.si.edu/). Баркод, или штрихкод в промышленност
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.