ГЕНЕТИКА, 2010, том 46, № 2, с. 226-238
ГЕНЕТИКА ЖИВОТНЫХ
УДК 575.832:597.553.2
ФИЛОГЕОГРАФИЯ ЮЖНОЙ АЗИАТСКОЙ МАЛЬМЫ Salvelinus malma krascheninnikovi: ГЕНЕАЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК © 2010 г. А. Г. Олейник, Л. А. Скурихина, Е. И. Чукова
Институт биологии моря им. А.В. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук,
Владивосток 690041; e-mail: alla_oleinik@mail.ru Поступила в редакцию 14.01.2009 г.
На основании PCR-RFLP-анализа изменчивости мтДНК (участки ND1/ND2, ND5/ND6, Cytb/D-loop) исследована филогеография южной азиатской мальмы Salvelinus malma krascheninnikovi. Анализ современной популяционно-генетической структуры показал, что для S. m. krascheninnikovi на всем ареале характерны высокая дифференциация популяций в сочетании с достаточно слабыми различиями между популяциями удаленных регионов. Реконструирована генеалогия гаплотипов мтДНК и проведен гнездовой кладистический анализ географических расстояний. Географическое распространение гаплотипов мтДНК S. m. krascheninnikovi объясняется как популяционно-генети-ческими процессами (ограниченный генный поток), так и историко-демографическими событиями (расширение и фрагментация ареала). Показано, что основные демографические события связаны с циклическими процессами геологического формирования бассейна Японского моря и прилегающих территорий, а генеалогическое дерево S. m. krascheninnikovi содержит следы вторичных контактов изолированных филогеографических линий.
Одной из основных задач популяционной генетики является исследование микроэволюционных процессов, связанных с распределением генетической изменчивости внутри и между популяциями, дивергенцией популяций и этапами формо- и видообразования. В последние годы основные успехи в этой области обусловлены разработкой филогеографического подхода, который объединяет данные о внутривидовой дифференциации и географическом распределении гаплотипов митохондриальной ДНК [1]. Однако современная популяционно-генетическая структура вида может быть результатом действия самых разнообразных процессов, разделенных в пространстве и во времени, и, следовательно, отражать не только происходящие в настоящее время изменения на популяционном уровне. Было показано, что пережитые популяциями отдельных видов демографические процессы отражаются на структуре генеалогических деревьев гаплотипов [2]. Важным шагом в развитии молекулярной филогео-графии стала разработка метода гнездового кладистического анализа (cladistic nested analysis) [3, 4], который на основании статистических тестов позволяет разделить влияние популяцион-но-генетических процессов и демографических событий в историческом прошлом исследуемых популяций. Применение данного подхода позволило реконструировать эволюционную историю нескольких видов лососевых рыб и убедительно показать, что особенности популяционной структуры видов, ареал которых в прошлом нахо-
дился в северном полушарии в районах развивающихся в плейстоцене ледников, обусловлены циклическими изменениями климата, а не микроэволюционными процессами, протекающими в современных популяциях [5—9 и др.]. В то же время филогеография лососевых рыб Азии, обитающих на территориях, не подвергавшихся оледенению, мало изучена [10—13].
Цель данной работы — филогеографический анализ изменчивости митохондриальной ДНК (мтДНК) южной азиатской мальмы Salvelinus malma krascheninnikovi Taranetz (или Salvelinus curilus Pallas согласно [14]) и выяснение роли исторических событий в формировании современного географического распространения гаплотипов мтДНК.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В работе использован материал из коллекции авторов, собранный в 1995—2003 гг. и включающий 13 выборок (213 особей) южной азиатской мальмы S. m. krascheninnikovi. Представление о точной географической локализации популяций, распределении по ареалу и объеме выборок иллюстрирует табл. 1. Учитывая, что современный ареал южной азиатской мальмы расположен по побережью Японского моря от устья р. Амур до рек Корейского полуострова и включает островные территории к югу от 50°с.ш. [15, 16] до о. Хоккайдо, материал охватывает большую часть ареала. Выборки объединяют как проходные, так и
Таблица 1. Данные об исследованных популяциях т. кга$екетпткоу1
Локальность Географическое положение Широта Долгота Форма Объем выборки
1. р. Вал Бассейн Охотского моря, о. Сахалин, северо-восточное побережье 52°21'N 143°04'E Проходная 19
2. руч. Анива Бассейн Охотского моря, о. Сахалин, юго-восточное побережье 47°24'N 142°49'E Ручьевая/проходная 26
3. руч. Теплый Приток р. Белая, бассейн р. Найба, о. Сахалин Бассейн Охотского моря, о. Сахалин, юго-восточное побережье 47°13'N 142°45'E Ручьевая 7
4. руч. Безымянный 47°24'N 142°50'E Изолят 24
5. р. Лесная Бассейн Тихого океана, о. Кунашир, восточное побережье 44°12'N 145°59'E Изолят 30
6. руч. Смольный Бассейн Японского моря 43°09'N 132°48'E Ручьевая 29
7. р. Тумнин Бассейн Японского моря 49°19'N 140°11'E Проходная 3
8. р. Акур Приток р. Тумнин, бассейн Японского моря 49°36'N 139°25'E Проходная 21
9. р. Шамора Бассейн Японского моря 43°12'N 132°09'E Ручьевая 10
10. р. Татарка Бассейн Японского моря 52°10'N 141°30'E Проходная 4
11. р. Грязная Бассейн Японского моря 52°09'N 141°32'E Ручьевая 20
12. р. Ювиши Бассейн Японского моря, о. Хоккайдо, западное побережье 43°10'N 141°00'E — 14
13. р. Ташиусу Бассейн Охотского моря, п-ов Ширетоко, о. Хоккайдо, восточное побережье 43°51'N 145°05'E — 6
жилые ручьевые экологические формы гольцов. К сожалению, отсутствует информация для двух выборок, любезно предоставленных нам японскими коллегами. Однако известно, что в реках о. Хоккайдо проходная форма встречается крайне редко [17] и можно полагать, что S. m. kraschenin-nikovi представлена в этой части ареала жилой речной формой. Популяции р. Тумнин и р. Акур самостоятельно представлены только в генеалогическом кладистическом анализе, в остальных случаях анализировали объединенную выборку.
Индивидуальные препараты тотальной ДНК получали из фиксированных тканей печени и сердца по стандартной методике [18]. Изменчивость мтДНК анализировали, используя полиморфизм длин рестрикционных фрагментов (RFLP) трех участков (ND1/ND2, ND5/ND6, Cytb/D-loop), амплифицированных в полимераз-ной цепной реакции (PCR). Подробно методика анализа изложена ранее [19—21]. Результаты PCR-RFLP-анализа мтДНК нескольких популяций S. m. krascheninnikovi были опубликованы [19—21], однако для настоящей работы расчеты велись по уточненным данным картирования амплифицированных участков мтДНК.
Основные показатели генетической изменчивости определяли, используя пакеты программ REAP [22] и Arlequin vers. 2.0 [23]. Гетерогенность частот гаплотипов между парами анализируемых выборок тестировали методом Монте-Карло (17000 псевдослучайных реплик) [24] с использо-
ванием программы CHIRXC [25]. Количественная оценка географической подразделенности разнообразия мтДНК проводилась методом AMOVA [26]. Для тестирования существенности иерархических компонентов дисперсии рассчитывались соответствующие критерии /-статистики [27]. Оценки нуклеотидной дивергенции [28, 29] между анализируемыми выборками использовали в качестве мер генетических дистанций при построении фенограммы (метод UPGMA).
Для реконструкции филогеографических связей между гаплотипами мтДНК было построено MST-дерево минимальной протяженности (алгоритм MJ) [30] в пакете программ Network 4.5.02 ("Fluxus Technology Ltd"., www. fluxus-engineer-ing.com). Гнездовой план парсимониального дерева гаплотипов был составлен согласно процедуре, предложенной Темпелтоном с соавт. [3, 4, 31, 32]. Гнездовой кладистический анализ (ГКА) географической сопряженности гаплотипов был проведен с помощью программы GeoDis [33]. ГКА оценивает значимость следующих величин: Dc — расстояние от географического центра клады; Dn — расстояние от географического центра гнезда, в качестве которого рассматривается клада следующего уровня вложенности; I—T — усредненная разница расстояний между внутренними и периферическими кладами [4]. Географический центр клады рассчитывается программой исходя из точных географических координат мест сбора особей, несущих гаплотипы, входящие в данную кладу. Ста-
тистическую значимость величин Dc, Dn, I—T оценивали методом случайных перестановок (17000 реплик) [24]. В том случае, когда тесты ГКА указывали на существенно большое или существенно малое значение хотя бы одной из величин расстояния, проводился анализ неслучайного (сопряженного) пространственного распределения клад всех уровней вложенности. Для интерпретации результатов использовался модифицированный ключ, разработанный Темпелтоном [34], находящийся на веб-странице программы GeoDis (http:/bio-ag.byu.edu/zoology/сrandall_lab/programs.htm).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Размер амплифицированных фрагментов мтДНК равен 7672 пары нуклеотидов. Общее число сайтов, определенных из анализа размеров и распределения рестрикционных фрагментов в гаплотипах, равно 196, что составляет около 686 нуклеотидов (4.8% митохондриального генома). У 213 исследованных рыб выявлено 39 гаплотипов мтДНК, которые мы рассматриваем как гап-лотипы южной азиатской мальмы. Ранее отмечалось, что в некоторых популяциях S. m. krascheninnikovi (р. Вал, руч. Анива, руч. Теплый) с разной частотой встречаются особи с гаплотипа-ми мтДНК S. m. malma, появление которых, вероятно, связано с исторической интрогрессивной гибридизацией [19, 20]. Эти особи исключены из всех тестов, поскольку гнездовой кладистический анализ имеет ряд ограничений [32], одним из которых является гибридизация. Включение в анализ гаплотипов сильно дивергировавших филети-ческих линий замаскировало бы все менее выраженные различия.
Анализ современной популяционно-генетической структуры S. m. krascheninnikovi
Распределение и абсолютные частоты гаплотипов в популяциях S. m. krascheninnikovi приведены в табл. 2. Можно выделить три филогенетические группы, объединяющие разное количество гаплотипов: группа, распространенная в популяциях о. Сахалин (21 гаплотип); группа гаплотипов популяции о.
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.