Видообразование и систематика грызунов (Rodentia: Sciuridae, Cricetidae, Muridae) по данным аллозимного анализа 03. 00. 08 зоология 03. 00. 15 генетика

В геологическом прошлом колебания уровня океана, обусловленные неотектоническими процессами и крупными оледенениями приводили к значимым изменениям очертаний восточной окраины евразийского материка. Во времена регрессий уровня океана некоторые из ныне существующих островов входили в состав материка либо соединялись мостами суши между собой. Все эти изменения не могли не отразиться на генетической структуре видов, заселяющих данную территорию. Известный возраст островных изолятов позволяет рассматривать зависимость генетической дифференциации от времени изоляции. Для описания формирования генетической дифференциации в процессе островной изоляции привлечен Cricetidae, имеющий наиболее массовое представительство (как по масштабам распространения, так и по таксономическому составу) в дальневосточной островной фауне грызунов. Анализ изменчивости и генетической дифференциации 5 таксонов: Microtus oeconomus Pallas, 1776, Myodes rutilus Pallas, 1779, M. rufocanus Sundevall, 1846, Myodes sikotanensis Tokuda, 1935, M. rex Imaizumi, 1971 − проводится по единой схеме. Рассматривается геногеографическая изменчивость. Определяется степень накопления генетических различий в ряду: а) популяции различных частей одного и того же острова б) популяции, разделенные длительно существующими морскими преградами, в) подвидовые формы, представленные выборками из популяций, разделенных значительным расстоянием.

На Дальнем Востоке Евразии полевка-экономка распространена от побережий Северного Ледовитого океана до северных районов Хабаровского края, обитает на п-ове Камчатка, Северных Курилах. Широко распространена она и по Центральным Курильским островам. Согласно запискам купца Г. Шелихова (Шелихов, 1971) и сведениям С.В. Клумова (Клумов, 1960), полевка-экономка появились на Центральных Курилах в конце девятнадцатого века. Исходным материалом для заселения послужили популяции Cеверных Курильских островов: Парамушира и Шумшу. Следовательно, возраст изоляции популяций полевки-экономки Курильских островов лишь слегка превышает 100 лет. Северные Курильские острова и Камчатка были разделены проливами около 10 тысяч лет тому назад (Велижанин, 1976; Безверхий и др., 2002). Таким образом, полевка-экономка предоставляет уникальную возможность наблюдения за самыми ранними этапами островной дифференциации природных популяций, а также возможность оценки уровня генетической дифференциации популяций при известном времени их изоляции. Для характеристики генетической дифференциации использовалось сравнение изменчивости по 24 интерпретационным локусам популяций 10 островов Курильской гряды (Шумшу, Парамушир, Атласова, Онекотан, Харимкотан, Шиашкотан, Матуа, Расшуа, Кетой, Симушир), полуострова Камчатка и Магаданской обл. В главе приводится подробное описание географической изменчивости каждого из обнаруженных полиморфных локусов. Типичной картиной геногеографической изменчивости Pgd, Ldh-2, Idh-1, Pgm, Mod-1, Sod-1, Sod-2, Es-3 является мономорфность большинства выборок (островных и материковых) по одному и тому же аллелю, который в то же время является основным и в полиморфных выборках. Дополнительные варианты распределены мозаично. Лишь один локус (Es-1) и только в двух популяциях (окр. г. Магадан и о-в Онекотан) показывает смену основного аллеля. Суммарный набор уникальных аллелей в интродуцированных популяциях Центральных Курильских островов оказался выше, чем в популяциях Магаданской обл., п-ова Камчатка и Северных Курил. Присутствие уникальных аллелей в популяциях Центральных Курил, по-видимому, является первым шагом дивергенции островных популяций. При формировании популяций Центральных Курильских островов несомненно большое значение имели эффект основателя и дрейф генов. Тем не менее можно предположить, что увеличению аллельного разнообразия способствовало заселение новых территорий и освоение большого числа свободных ниш, что происходило на Центральных Курильских островах (Фрисман и др., 2003).

Cреднее значение величин дистанций D (Nei, 1978), наблюдаемых между популяциями одного и того же острова, статистически достоверно ниже наблюдаемых при межостровных сравнениях. Однако статистическая достоверность не подтверждается при использовании хордовых дистанций и дистанций Превости. Этот же тест указывает на высокую вероятность равенства средних дистанций Превости и хордовых, обнаруживаемых при сравнении изолятов п-ова Камчатка и островов Курильского архипелага. Эти данные являются подтверждением принадлежности популяций полевки-экономки п-ова Камчатка и Курильских островов к единому подвиду M. о. kamtschaticus Pallas, 1779. Сравнение межподвидового (M. o. koreni Allen, 1914 и M. o. kamtschaticus) и внутриподвидового (M. o. kamtschaticus) среднего значения генетических дистанций показало статистически достоверное (с вероятностью более 0,99) превышение величины первого над вторым. Данный вывод получен при анализе трех рассматриваемых дистанций.

Полученные оценки аллозимной дифференциации полевки-экономки п-ова Камчатка и Курильских островов, наряду с известными оценками возраста изоляции островов, предоставили возможность определить возраст расхождения камчатской и магаданской популяций как 0,14x10⁶ лет, что не противоречит представлениям отечественных териологов о заселении п-ова Камчатка полевкой-экономкой в позднем плейстоцене (Костенко, 2000).

Суммирование собственных и литературных данных геногеографии гемоглобина показывает, что в «северную» группу входят популяции Аляски, Северо-Востока России, Якутии и Среднего Амура. В «южную» группу объединяются популяции Амурского лимана, материкового побережья Татарского пролива, восточных отрогов Сихотэ-Алиня и островов Сахалин, Хоккайдо, Большой Шантар ((Nadler et al., 1978; Коробицына и др., 1983; Курышев, 1990; Фрисман и др., 2001). Можно предположить, что существующая картина сложилась, по меньшей мере, до отделения о-ва Сахалин от материка, т.е. более 7 тыс. лет тому назад. Древним географическим барьером между «северной» и «южной» формами, по-видимому, являлась долина пра-Амура, включающая в себя территорию современной Эворон-Чукчагирской впадины. При изменении русла появилась возможность соединения ареалов «северной» и «южной» форм и как результат, возможность появления гибридных популяций. Такая популяция обнаружена нами в окрестностях оз. Эворон.

Несмотря на достаточно пеструю картину распределения дополнительных аллелей, присутствие одного и того же аллеля в качестве основного или единственного определяет невысокий уровень дифференциации популяций внутри «южной» и «северной» групп при более высоком уровне дифференциации между группами (D (Nei, 1978) от 0,007 до 0,026 и 0,115 соответственно). Аллозимные данные подтверждают выделение М. r. jochelsoni и родство красных полевок островов Хоккайдо, Сахалин, Б. Шантар, Амурского лимана и восточных склонов Сихотэ-Алиня тем самым показывая комплексный характер М. r. amurensis. В состав этого подвида, кроме представителей «южной» гемоглобиновой группы (обитатели о-ва Большой Шантар, Амурского лимана и востока Приморья), включены популяции, принадлежащие к «северной» гемоглобиновой форме. Комплексный состав М. r. amurensis обнаружен В.А. Костенко (2000) на основании различий по морфологическим показателям тела и черепа. Иная картина изменчивости обнаружена М. Ивасой с соавторами (Iwasa et al., 2002) при анализе мт генома. Они объединяют в единую группу полевок п-ова Камчатка (M. r. jochelsoni) и о-ва Сахалин (M. r. amurensis) и выделяют в самостоятельную филетическую линию полевок о-ва Хоккайдо (M. r. micado).

M. rufocanus Sundervall, 1846. У красно-серой полевки островов Сахалин, Итуруп, Полонского, Хоккайдо (С. ruf. smithi Tomas, 1905), п-ова Камчатка и окрестностей г. Магадан (M. ruf. wosnessenskii Poliakov, 1881), так же как и у красной полевки, по большинству полиморфных локусов (Mor-2, Mod-1, Mod-2, Pgd, Gpd, Lap, Alb и Trf) во всех выборках присутствовал один и тот же основной аллель, а географическая изменчивость проявлялась в мозаичной локализации дополнительных аллелей. Два локуса показывают более высокий уровень географической изменчивости. По Es-4 обнаружена фиксация различных аллелей в островных популяциях. Mod-3 показывает отличие популяций Магадана и Камчатки от всех остальных. Значения несмещенных генетических дистанций 0,007-0,115 оказались «рамочными» и для внутривидовой генетической дифференциации M. rufocanus. Наиболее значимые различия обнаруживается между островными и пространственно удаленными от них (Магадан, Камчатка) популяциями.

Результаты аллозимного анализа согласуются с подвидовым разделением красно-серой полевки (по: Каталог…, 1981; Громов, Ербаева, 1995) в части объединения в единый подвид популяций северо-востока Азии, включая Камчатку, и выделения единого подвида для островных изолятов. Согласуется такое разделение и с результатами кариологического анализа (Воронцов и др., 1978). Еще одно подтверждение такому подразделению получено М. Ивасой и др. (Iwasa et al., 2000) при исследовании Sry гена, расположенного на Y хромосоме. По результатам секвенирования авторы сгруппировали дальневосточных красно-серых полевок в две формы – континентальную и островную (Сахалин – Хоккайдо).

Близость уровней внутривидовой генетической дифференциации красной и красно-серой полевок в рассматриваемых островных системах предполагает одновременность (в эволюционном смысле) заселения этими видами данного региона. Изолированное существование лесных полевок на островах в течение 7 тыс. лет (отделение Сахалина от материка) и 10 тыс. лет (Сахалина от Хоккайдо) не привело к статистически достоверному превышению величины аллозимной дифференциации популяций разных островов по сравнению с дифференциацией популяций различных частей о-ва Сахалин.

M. sikotanensis Tokuda, 1935 и M. rex Imaizumi, 1971. Шикотанская полевка, описана М. Токудой (1941) с о-ва Шикотан позднее сведена им же в синоним красно-серой полевки M. rufocanus bedfordiae, Tomas, 1905, а затем восстановлена с первоначальным названием M. sikotanensis (Бобринский и др., 1965). В.А. Костенко и Т.В. Алленова (1978, 1990) отнесли сахалинскую форму к номинальному подвиду M. s. sikotanensis Tokuda, 1935. Запутанность таксономических взаимоотношений sikotanensis - rufocanus усугубляется присутствием описанного с о-ва Риcири и обитающего на о-ве Хоккайдо M. rex. Imaizumi, 1971. Если К. Ота (Ota, 1954) прямо придерживается взглядов М. Токуды (Tokuda, 1941) и сводит M. sikotanensis в синоним к M. ruf. bedfordiae, то Абе (Abe, 1968, 1973, 1973a) говорит о двух формах красно-серой полевки: Д-форме M. sikotanensis и М-форме M. rufocanus, - указывая, что они образуют на о-ве Хоккайдо по морфологии и экологии отчетливые локальные вариации, и считает, что шикотанская полевка должна быть сведена в синоним к M. rex (Study …, 1984; Abe, 2000). M. rex представлен как самостоятельный вид в сводке Г. Корбета (Corbet, 1978), однако другие авторы (Aimi, 1980; Павлинов, Россолимо, 1987) рассматривают его в составе M. rufocanus. Филогенетические исследования вариаций ядерной (рибосомальной) и митохондриальной ДНК показали, что M. rex и M. rufocanus представляют собой независимые филетические линии, разошедшиеся в раннем плейстоцене (Wakana et al., 1996), а наблюдаемые различия позволяют рассматривать их в качестве сестринских видов.

Наши исследования (Фрисман и др., 2002) показали, что как M. rex, так и M. sikotanensis имеют фиксированные различия по двум локусам (Xdh, и Trf) с M. rufocanus и по 6 локусам (Trf, Idh (-1, -2), Aat-1, Mod-2, Es-1) с M. rutilus, т.е. ведут себя как единое целое по отношению к рассматриваемым видам. В то же время, эндемичные таксоны различались между собой намного более чем островные популяции каждого из этих фоновых видов. Эндемики не имеют ни одного общего аллеля лейцинаминопептидазы. Кроме того, из обнаруженных у них 5 полиморфных локусов у двух локусов основной аллель полиморфного таксона не выявлен у другого таксона. Для Mod-3 в выборках представлены различные основные аллели. Аллозимная UPGMA дендрограмма (рис. 4) отражает подразделенность «северной» и «южной» региональных групп популяций красной полевки и иллюстрирует видовой ранг различий M. rufocanus, M. sikotanensis и M. rex.

В свою очередь, ареалы M. sikotanensis и M. reх разбиты на изолированные участки, приуроченные к небольшим островам – Кунашир, Шикотан, Ришири, Дайкоку – либо к ограниченным участкам территории больших островов – Сахалин и Хоккайдо. Эти популяции более подвержены действию генетико-автоматических процессов, поэтому накопили значимые генетические различия. Наблюдаемый уровень различий отражает существование раздельных филетических линий, т.е. быструю эволюцию малых популяций.

Предлагается гипотеза последовательных волн миграций, по которой M. sikotanensis и M. rex являются потомками более ранней волны заселения островов. Существуют общие онтогенетические и морфологические характеристики зубов, по которым M. sikotanensis и M. rex выделяются среди остальных Myodes. К таким признакам относятся сроки формирования корневой системы зубов – родовая характеристика, подразделяющая Myodes и Eothenomys Miller, 1896. Как показано Е. Кавамурой (Kawamura, 1988), эволюция полевок Японского архипелага в период средний – поздний плейстоцен шла по пути утраты корнезубости. По данной характеристике эндемичные формы занимают промежуточное положение между современными Myodes и Eothonomys. У них корневая система зубов формируется на поздних стадиях онтогенеза. Возможно, что на примере M.sicotanensis и M.rex мы наблюдаем промежуточную стадию подобного эволюционного процесса у первой волны мигрантов Myodes, тогда как у M. rutilus и

M. rufocanus, заселивших острова в более позднее время, данные эволюционные изменения не обнаруживаются.

Далее в главе проводится сопоставление данных по внутривидовой аллозимной дифференциации М. rutilus, М. rufocanus, M. oeconomus. Минимальный уровень различий характеризует популяции одного и того же острова полевки-экономки. Дифференциация популяций лесных полевок северныхи южных частей о-ва Сахалин несколько выше, а для красной полевки, судя по несмещенным генетическим дистанциям, статистически достоверно выше. У всех видов дифференциация между островными изолятами слегка превышает различия популяций одного острова. Эти превышения достоверны для полевки-экономки, где рассматривались выборки животных из трех бухт о-ва Симушир. Превышения не достоверны для фоновых видов лесных полевок, где рассматриваются популяции о-ва Сахалин. Дифференциация островных изолятов красной и красно-серой полевок несколько выше, чем у полевки-экономки. Эти различия для красной полевки статистически достоверны. Более значимые генетические дистанции характеризуют подвидовой уровень, представленный, с одной стороны, островными выборками, а с другой, пространственно удаленными – материковыми. То есть, как и у большинства материковых видов, в том числе и рассматриваемых в разделе 1 Spermophilus, обнаруживается параллелизм в накоплении морфологических и аллозимных различий в процессе дифференциации. Однако картина может меняться, когда в эволюционный процесс вклинивается хромосомный фактор. Именно такая ситуация рассматривается в следующем разделе диссертации.

Градуалистический тип видообразования предполагает постепенный процесс накопления морфологических, кариологических, молекулярно-генетических поведенческих и других различий, в том числе и по признакам, обеспечивающим репродуктивную изоляцию. На генетическом уровне хорошей иллюстрацией такого процесса являются результаты аллозимных исследований, показывающие увеличение уровня генетической дифференциации от внутривидового к межвидовому уровню. Именно такой тип видообразования широко представлен в рассматриваемых выше Spermophilus и Myodes. В середине прошлого века было предложено понятие внезапного (стасипатрического) или хромосомного видообразования (Воронцов, 1960; White, 1968). Стремительность начальных этапов хромосомного видообразования не предполагает заметных различий других генетических, в том числе аллозимных, характеристик. Накопление значимых аллозимных различий при хромосомном видообразовании может возникать лишь в случае длительного самостоятельного существования разошедшихся форм. Иными словами, соотношение кариологической и аллозимной дифференциации может служить характеристикой эволюционного пути группы. И действительно, среди различающихся хромосомными характеристиками видов-двойников известны пары с минимальными величинами молекулярно-генетических (аллозимных) различий (Фрисман, Павленко, 1987), что соответствует представлению об их недавнем (в эволюционном смысле) возникновении. Однако ситуация неоднозначна, т.к. известны кариотипически различающиеся виды-двойники, обладающие при этом достаточно высоким уровнем молекулярно-генетических различий, что не отрицает их возникновения за счет преобразований кариотипа, но отодвигает в отдаленное прошлое факт его осуществления. Зачастую кариотипические различия обнаруживаются между аллопатрическими таксонами. Если они сопровождаются даже небольшим уровнем различий по другим признакам, то невозможно определить первичность влияния хромосомного либо географического факторов. Так, кариотипические отличия Spermophilus odessanus от S. suslicus, а S. pallidicauda от S. brevicauda могут быть как причиной, так и следствием процесса видообразования, как и обнаруженные нами и описанные в разделе 1 их аллозимные различия.

Тем не менее хромосомное видообразование (по меньшей мере, его начальные этапы) предполагает несостоятельность или недостаточность морфологических характеристик для видовой диагностики и высокую продуктивность методов сравнительной кариологии. Именно такая ситуация наблюдается среди видов серых полевок подрода Microtus. Начиная со второй половины прошлого столетия, на основании кариологических данных в пределах подрода был описан ряд новых видов крайне слабо различающихся морфологически. В составе надвида

M. arvalis Pallas, 1778 обнаружены хромосомно дифференцированные виды-двойники (Мейер и др., 1969) M. arvalis sensu stricto (2n=46) и симпатричный ему на значительной части ареала

M. rossiaemeridionalis Ognev, 1924 (=M. epiroticus Ongrias, 1966; = M. subarvalis Mejer, Orlov, Skholl, 1972 (2n=54)). С территории Муйской котловины в Северном Забайкалье описана муйская полевка (2n=38; NF^a=46-50) - M. mujanensis Orlov et Kowalska, 1975 (Орлов, Ковальская, 1978). Из окрестностей озера Эворон в Хабаровском крае описана эворонская полевка (2n=38-40; NF^a=51-54) - M. evoronensis Kowalska et Sokolov, 1980 (Ковальская, Соколов, 1980). Лишь опираясь на кариологические данные, удалось поставить точку в дискуссии о видовой обособленности дальневосточной (2n=52; NF^a=62) M. fortis Buchner, 1889 и сахалинской (2n=50; NF^a=60) M. sachalinensis Vasin, 1955 полевок (Мейер, Волобуев, 1974) и о видовой самостоятельности полевки Максимовича (2n=36-44; NF^a=50-60) – M. maximowiсzii Schrenk, 1893. (Ковальская, 1974; Ковальская, 1977; Ковальская и др.,1980; Мейер и др., 1996).

В данной главе на основе сопоставления внутри- и межвидовой аллозимной дифференциации оценивается роль хромосомного фактора в эволюционной истории кариотипически дифференцированных дальневосточных серых полевок.

Кариотипически высокополиморфная полевка Максимовича оказалась достаточно полиморфной и на аллозимном уровне. В выборках M. m. ungurensis и M. m. maximowiсzii полиморфны следующие 12 (из 23) локусов: Aat-1, Sod-1, Pgd, Mod-2, Idh-1, Gpd, G6pd, Pgm, Sdh, Alb, Hb и Trf. В выборках M. m. ungurensis центральных («Унгудун») и южных («Кыра») районов Забайкалья, с почти не перекрывающимися значениями 2n, распределение аллелей большинства локусов сходны. Также сходны между собой и распределения аллелей полиморфных локусов в популяциях из двух рассматриваемых географических районов Приамурья (M. m. maximowiсzii). Пространственно разобщенные M. m. ungurensis и M. m. maximowiczii различаются более весомо. Максимальные различия в этом случае обозначены сменой основного аллеля.

Аллозимные различия, обнаруженные между M. m. gromovi и остальными подвидами M. maximowiсzii, наиболее значимы и касаются трех маркеров. По Mod-2 и Gpd нет общих аллелей у M. m. gromovi и остальных M. maximowiсzii. Третьим высоко различающимся белком является гемоглобин. Электрофоретический фенотип гемоглобина M. m. gromovi обнаружен только у 2 из 82 экземпляров остальных M maximowiсzii.

Уровень внутриподвидовой дифференциации M. maximowiczii (табл. 2) сопоставим с уровнем дифференциации внутри M. fortis pelliceus Tomas, 1911 и рассмотренных ранее (глава 7) изолятов M. oeconomus kamtschaticus десяти островов Курильской гряды и п-ова Камчатка. Дивергенция подвидов M. m. ungurensis - M. m. maximowiсzii несколько выше и вписывается в размах значений генетических дистанций между M. o. koreni с M. o. kamtschaticus.

M. oeconomus, M. fortis, M. sachalinensis, M. maximowiczii. Эти виды, наряду с хромосомной, характеризует значимый уровень межвидовой аллозимной дифференциации. Для всех сравниваемых пар видов обнаруживаются локусы, не имеющие общих аллелей. Минимальный набор диагностических локусов (только Trf) обнаружен при сравнении M. fortis с M. maximowiczii. Наибольший набор - 5 локусов - обнаружен для островного M. sachalinensis при его сравнении с M. fortis и M. m. gromovi (Фрисман, Коробицына, 2004).
Таблица 2. Аллозимная дифференциация дальневосточных Microtus

	Сравниваемые группы	Величины дистанций; среднее значение; (доверит. интервал)	Число диагности-ческих локусов
1	Географические выборки M. m. ungurensis	0,016	0
2	Географические выборки M. m. maximowiсzii	0,01	0
3	Географические выборки M. fortis pelliceus	0,029	0
4	M. o. kamtschaticus	0 – 0,034; 0,007; (0,002)	0
5	M. m. ungurensis - M. m. maximowiсzii	0,04-0,042	0
6	M. o. koreni - M. o. kamtschaticus	0,021-0,053; 0,04;(0.005)	0
7	M. m. gromovi - остальные M. maximowiсzii	0,260-0,305; 0,279; (0.026)	2
8	M. m. gromovi – другие дальневосточные виды Microtus	0,199-0,351; 0.288; (0,046)	2-5
9	M. fortis – M. sachalinensis - M. maximowiсzii - M. oeconomus	0,153 –0,375; 0,223; (0,032)	1-5
12	M. maximoviсzii – M. evoronensis – M. mujanensis	0,016-0,029; 0,023	0

Эти данные не предполагают внезапного хромосомного видообразования, инициированного в недалеком прошлом. Весьма малая внутривидовая аллозимная дифференциация, при существующем хиатусе между малыми внутривидовыми и значительными межвидовыми дистанциями, позволяет предположить следующее. Если хромосомные перестройки и были «пусковым механизмом» процесса видообразования в данной группе видов, то событие это столь давнее, что за истекший период успели накопиться аллозимные различия, либо хромосомная дифференциация является не причиной, а следствием (как и аллозимные различия) процесса видообразования. Полученный вывод можно применить и к эволюционной истории видов-двойников M. arvalis - M. rossiaemeridionalis, где межвидовые аллозимные различия также в значительной степени превышают внутривидовые.

M. maximowiсzii gromovi. Аллозимное исследование M. m. gromovi показывает обособленность генофонда данного таксона от остальных M. maximowiczii по 2-5 локусам. Генетические дистанции между M. m. gromovi и остальными подвидами M. maximowiczii сопоставимы с дистанциями межвидового уровня (табл. 2). Расстояние между точками, откуда известен M. m. gromovi, по прямой составляет приблизительно 800-1000 км. Помимо расстояния эти точки разделены хребтом Джуг-Джур и системой хребтов Алданского нагорья. Необычная для крайне полиморфного вида M. maximowiczii кариотипическая стабильность полевки Громова из двух удаленных (или изолированных) точек служит дополнительным фактором, подтверждающим ее таксономическую обособленность. Отличие полевки окрестностей пос. Аян от остальных M. maximowiczii показано и при исследовании D петли мт ДНК (Haring et al., 2005). Иными словами, отличие полевки Громова от остальных M. maximowiczii обнаруживается на всех привлеченных для исследования уровнях (морфотипы, кариология, исследование белкового полиморфизма и признаков митохондриального генома), что, несомненно, предполагает необходимость повышения ее статуса до видового.