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

Разграничение видовых таксонов осуществляется на основе изучения морфологических, географических, экологических, поведенческих, молекулярных и других характеристик (Mayr, 1996). Однако темпы эволюции различных систем признаков, как правило, не совпадают, поэтому разрешающая способность каждой из характеристик охватывает ограниченный участок таксономической иерархии. Наиболее широкий охват представляют морфологические характеристики. Что касается характеристик белкового полиморфизма, то у грызунов аллозимная изменчивость обеспечивает информацию, пригодную для анализа на уровне таксономических категорий рода. Это позволяет рассматривать в центре внимания вид и исследовать внутривидовую изменчивость и определение границ вида. Представленный в главах 2-11 фактический материал объединяет три подхода аллозимного исследования, а именно, исследование геногеографической изменчивости отдельных генов, поиск локусов, разделяющих таксоны, и количественный анализ - усредненная оценка уровня дивергенции по ряду рассеянных по геному локусов. Каждый из этих подходов оказался полезным для понимания эволюционных преобразований и таксономических построений рассматриваемых нами грызунов, а именно, при исследовании микро- и макрогеографической изменчивости вида, при поиске и описании гибридных зон, определении границ видов, характеристике путей видообразования и для филогенетических построений.

Анализ картин макрогеографической изменчивости (геногеографической изменчивости по ареалу вида) позволяет оценить уровень внутривидовой дифференциации и обычно сводится к описанию и обсуждению механизмов пространственного распределения отдельных электрофоретических вариантов одного или нескольких полиморфных белков. Геногеография макрогеографического уровня отражает два противоположных направления эволюционных трендов: накопление различий между популяциями географически изолированных частей ареала и уничтожение дифференциации в результате вторичного контакта ранее изолированных форм. Оба направления широко представлены в исследуемых таксонах и характеризуются следующими картинами.

а) Распространение одного и того же основного аллеля по ареалу вида. Кроме основного аллеля в популяциях могут обнаруживаться другие (дополнительные и редкие) аллели. Это вариант географической однородности либо слабой географической изменчивости. Картины такой геногеографии отдельных белков встречаются практически у всех исследованных видов млекопитающих, и рассматриваемые нами не представляют собой исключение. Только такие картины были обнаружены нами при исследовании 17 локусов у Tamias sibiricus в выборках из популяций от Перми до Сахалина (глава 6). Возможная причина появления таких картин – быстрое расширение ареала слабо полиморфного вида. Так, мы предположили, что Tamias sibiricus резко (с эволюционной точки зрения) расширил свой ареал вместе с продвижением лесов на север во время голоценового потепления. Особенно интенсивно это могло происходить после температурного оптимума около трех тысяч лет тому назад. Естественно, что возникновение таких картин обусловлено отсутствием крупных изолирующих барьеров для этого вида на данной территории и как результат - потоки генов, препятствующие возникновению различий.

Островная изоляция при ограниченном времени существования географических барьеров (в рассматриваемых нами случаях – периодически возникающие морские проливы) также может не привести к сколько-либо значимой дифференциации популяций изолированных регионов. Так, восстановление 10 тысяч лет тому назад Берингова пролива не привело к накоплению сколь-либо значимых частотных различий аллелей трансферринов в изолированных частях ареала S. parryi на полуостровах Чукотка, Аляска и островах Берингова пролива.

В картинах географической однородности, либо слабой географической изменчивости, различия определяют дополнительные и редкие аллели. Когда их положение географически структурировано, эти аллели весьма значимы в эволюционных построениях. Так, они могут нести важную информацию о направлениях миграций. Наиболее красноречивый пример тому - встречаемость Hbb-d в популяциях домовой мыши Средней Азии, Казахстана и юга Сибири, говорящая о продвижении генов северного подвида на юг.

б) Смена основного аллеля при движении по ареалу вида. Такой геногеографии соответствуют несколько типов картин. Иногда популяции, несущие один и тот же основной аллель, случайным образом распределены по ареалу (локальная дифференциация). Резкие частотные различия при этом могут наблюдаться в близко расположенных популяциях, при сходстве аллельного состава и частот аллелей в пространственно разобщенных популяциях. Картины локальной дифференциации являются характерными для островных популяций, точнее, для популяций небольших островов шельфовых зон либо островов, отдаленных от материковой части ареала и друг от друга большими расстояниями. Такие картины были обнаружены у Myodes rufocanus и Microtus oeconomus Курильских островов (главы 7, 8). Что касается обитателей больших островов, то рассматриваемые нами фоновые экологически пластичные виды лесных полевок M. rutilus и M. rufocanus о-ва Сахалин демонстрируют довольно распространенную картину геногеографической изменчивости островных изолятов, когда представлены и наиболее распространены те же основные аллели полиморфных локусов, что и в близлежащих островных либо материковых популяциях (глава 8).

На материковой части ареала картины локальной дифференциации мыслимы для животных, в ареале которых представлены фрагменты, отделенные от основной части непригодными для заселения пространствами - своеобразные острова обитания. Такой тип ареала представлен у рассматриваемых нами подольского и краснощекого сусликов (глава 4). Картины локальной дифференциации по отдельным локусам обнаружены и у домовой мыши территории России (глава 11), для которой, в силу ее синантропности (т.е. возможности к пассивному перемещению), нет оснований предполагать большую значимость любых географических барьеров. Появление подобных картин в данном случае, по-видимому, обусловлено взаимодействием четырех причин: высокая полиморфность вида на аллозимном уровне, демовая структура, структура пассивных миграций и отсутствие (или незавершенность) формирования механизмов репродуктивной изоляции. Наиболее интересный вариант геногеографической изменчивости – это региональная приуроченность различающихся основных аллелей. Как правило, эти картины обусловлены разделением ареала вида географическими барьерами в течение длительного времени. С помощью маркеров, обладающих такой изменчивостью, удается рассматривать историю становления ареала вида.

Иногда изменение частоты основного аллеля по ареалу вида имеет клинальный характер, что обычно является поводом для привлечения гипотезы адаптивности данной характеристики. В таком случае картина геногеографии отражает накопление дифференциации. Иное объяснение клинальной изменчивости базируется на анализе становления ареала – возникновения вторичного контакта и потоков миграций между некогда разделенными участками ареала, заселенными животными с различающимися генотипами, т.е. «размывание» ранее накопившихся различий. В возникновении картины клинальной изменчивости геногеографии трансферрина в палеарктической части ареала берингийского суслика значимое место мог занимать вторичный контакт между изолятом Берингийского моста и основным массивом. Плавный характер клинальной изменчивости показывает, что за время существования изолирующего барьера не произошло репродуктивно значимого разделения геномов (глава 3).

Более сложны и интересны случаи вторичного контакта, когда возникшая зона интрогрессии имеет ограниченные размеры. Такая зона предполагает либо возникновение вторичного контакта в недавнем прошлом, либо − слабый обмен мигрантами в силу каких-либо эколого-географических причин, либо – присутствие элементов репродуктивной изоляции, т.е. существование отбора против гибридов. В последнем случае обычно не существует единого мнения о таксономическом ранге гибридизующих форм. Пример тому гибридная зона S. mayor − S. erythrogenys sensu lato (глава 4).

Гибридные зоны широко распространены среди растений и животных. Согласно традиционным представлениям, гибридизация таксонов околовидового ранга у высших позвоночных рассматривается как показатель несовершенства «репродуктивных изолирующих механизмов» (Майр, 1968). Судьба гибридных зон в контексте этих взглядов может быть двоякой. С течением времени «изолирующие механизмы» могут совершенствоваться и в конечном итоге привести к полной изоляции форм, либо формы в результате широкой гибридизации взаиморастворяются и образуют единый таксон гибридогенного происхождения.

Для того чтобы обойти ограничение биологического определения вида, связанное с гибридизацией, Э. Майр (Mayr, 1996) предлагает сохранять видовой ранг за теми формами, для которых «существование гибридной зоны не приводит к потере целостности различающихся генных пулов аллопатрических частей ареала». Среди рассматриваемых нами форм с гибридными зонами наиболее близка к подобному определению видового ранга различий западная и восточная формы длиннохвостого суслика, формирующие гибридную зону в Прибайкалье (глава 2).

Присутствие элементов репродуктивной изоляции (и пре- и постзиготической) известно для европейской зоны гибридизации форм musculus и domesticus (Smadja et al., 2003; Britton-Davidian et al., 2005) домовой мыши. Однако в данном случае сложно говорить о «целостности различающихся генных пулов аллопатрических частей ареала». Поражает изобилие количества и качественное разнообразие зон гибридизации у домовой мыши Евразии. На стыке ареалов форм известны различные зоны гибридизации, от узкой и стабильной с элементами репродуктивной изоляции до широкой, продолжающей изменять свои очертания в настоящее время. Существуют гибридные зоны в районах «транзитного» перемещения синантропных форм домовых мышей, где, по-видимому, происходило образование гибридного генофонда не просто как результата вторичного контакта двух форм, но как продукта разновременных наслоений (Милишников и др., 2004). И, наконец, существует и спорадическое появление характеристик одного таксона в пределах ареала другого далеко от общих границ, обусловленное синантропным «засорением» отдельными экземплярами с включением их характеристик в геном обитателей данного региона.

Если гибридную зону между западной и восточной формой длиннохвостого суслика имеются основания относить к межвидовой, то все другие исследуемые нами гибридные зоны (у красной полевки Myodes rutilus, у домовой мыши на Дальнем Востоке и на юге Сибири), несомненно, следует рассматривать в рамках конспецифичных популяций.

Завершающим этапом географической изменчивости представляется полное различие аллельного состава у аллопатрических популяций или систем популяций. У длиннохвостого суслика альпийской зоны Джунгарского Алатау нами обнаружена мономорфность по Trf-Д, не встречающемуся более нигде на ареале. Однако сходство по признакам других уровней (морфологическим, физиологическим и т.д.) позволяет идентифицировать этот изолят только в плане подвидовой принадлежности. Лишь данные о дискриминирующих различиях по ряду независимых признаков, либо по характеристикам нескольких уровней (надмолекулярных и молекулярных) позволяют обосновано проводить обсуждение о соответствии изолятов видовому рангу. Кавказский и малый (левобережный) суслики имеют только один дискриминирующий белковый признак – Trf. Крапчатый и подольский суслики различаются по нескольким аллозимным характеристикам. Однако в обоих случаях эти различия синхронны различиям характеристик других структурных уровней, что позволяет обсуждать их видовой ранг, правда, с несколько большей определенностью в случае крапчатого и подольского сусликов.

Описанное разнообразие картин геногеографической изменчивости и межвидовой дифференциации, несомненно, является отражением градуалистического географического типа видообразования.

Определение качественного состава и количества дискриминационных локусов наряду с определением границ видов оказывается интересным и полезным для описания видообразовательной активности рода как с точки зрения накопленных генетических различий между видами, так и с точки зрения времени и скорости появления новых видовых форм.

Сусликов рода Spermophilus Палеарктики характеризует широкий размах количества дифференцирующих виды аллозимных локусов - от 1 до 13 среди 26 исследованных локусов. Аллозимный анализ позволил предположить несколько этапов радиации у палеарктических Spermophilus. Причем виды эволюционно молодых групп (имеющие 1-3 локуса фиксированных различий) оказались территориально смежными, тогда как генетически более разошедшиеся пространственно разобщены.

Аллозимный уровень различий, аналогичный уровню дифференциации эволюционно-молодых групп сусликов, представлен во всех исследованных родах: разделяет эндемичные виды Myodes sicotanensis и M. rex между собой и от M. rufocanus; характеризует M. maximowiсzii при сравнении с M. fortis; представлен в подроде Mus при сравнении M. spicilegus и M. macedonicus.

Различия обнаруживаются при взгляде на максимальное число дискриминирующих локусов. Между видами серых полевок, оно доходит до 5-6 локусов, что значительно ниже, чем у Spermophilus и Myodes история формирования которых в Палеарктике, согласно палеонтологическим данным значительно длиннее чем у Microtus.

Количественная оценка аллозимной дифференциации. Все вышеперечисленные задачи опирались на поиск, выявление и описание отдельных белковых маркеров. В то же время, суммируя данные о частотах аллелей по многим локусам, можно количественно оценить генетическое сходство (или генетическое различие - «генетические дистанции») между группами исследованных особей. Анализ генетических дистанций интересен по двум причинам. Прежде всего он дает возможность оценить изменения уровня генетических различий, которые наблюдаются при переходе от более низкого к более высокому таксономическому рангу в пределах рода. Кроме того, этот анализ позволяет провести сравнение генетических различий между таксонами одного уровня в различных группах более высокого иерархического подчинения, т.е. сравнить уровень и темпы генетических изменений, которые сопровождают процесс видообразования в различных таксонах, и попытаться определить причину различий.

Сопоставляя популяционный и видовой уровни, можно выделить два крайних состояния, иллюстрирующих два способа видообразования. В большинстве рассматриваемых в данной работе видов количественные оценки аллозимных различий между видами превышают подвидовые, а последние превышают популяционные, что подтверждает градуалистический путь видообразования.

Генетические дистанции между видами M. maximowiсzii – M. evoronensis – M. mujanensis практически совпадают с внутривидовыми показателями для M. maximowiсzii, что позволяет рассматривать данные виды как пример хромосомного видообразования.

Таким образом, несмотря на то, что электрофоретическое исследование обнаруживает только одну треть аминокислотных замен в белках, большой объем исследованного материала позволил рассмотреть эволюцию вида через призму эволюции отдельных генов, а многолокусное исследование независимых признаков, распределенных по различным хромосомам генома, создает достаточно полную картину эволюции от уровня популяции до уровня рода. Исследование белкового полиморфизма является базой для постановок и ориентиром на пути решения задач новыми молекулярно-генетическими методами.

1. На основании изучения аллозимной изменчивости и дифференциации у 31 вида 5 не близко родственных родов грызунов выделены три последовательных уровня генетической дифференциации, общих для представителей рассматриваемых семейств (Sciuridae, Cricetidae, Muridae): внутривидовая дифференциация, дифференциация эволюционно-молодых форм, как правило, спорного таксономического ранга и дифференциация на уровне species bona. Для большинства таксонов строго показан градуалистический путь видообразования.

2. Аллозимное исследование дальневосточных видов Microtus maximowiczii, M. evoronensis, M. mujanensis показало возможность их происхождения путем "хромосомного видообразования".

3. Геногеография аллозимных локусов у видов с пространственно протяженными ареалами (Spermophilus undulatus, S. parryi, Tamiаs sibiricus, Myodes rutilus, M. rufocanus, Microtus oeconomus, M. maximowiczii, Mus musculus и др.) отражает два противоположных направления эволюционного процесса: накопление различий между популяциями из изолированных или пространственно разобщенных частей ареала и разрушение дифференциации в результате вторичного контакта.

4. Впервые обнаружены и исследованы зоны гибридизации: в западном и южном Прибайкалье - западной и восточной групп подвидов Spermophilus undulatus, в северном Приамурье - северной и южной групп популяций Myodes rutilus, на территории юга Дальнего Востока России - синантропных форм домовой мыши musculus и castaneus. Показано гибридное происхождение популяций домовой мыши Тувы, южных районов Читинской обл. Отличительной чертой гибридных зон является неоднозначность их размеров, определяемых по признакам различных систем (морфология, структурные белки, кариология и т.д.)

5. Показано, что между обширными изолированными системами популяций формирование значимого уровня дифференциации может не происходить в течение промежутка времени, длящегося десятки тысяч поколений (амурский, якутский изоляты Spermophilus undulatus, изоляты Tamias sibiricus, Myodes rutilus, Myodes rufocanus крупных островов).

6. Исследования популяций небольших островов (Курильской гряды) показали большую значимость эффекта основателя, дрейфа генов и наличия свободных экологических ниш для начальных этапов дифференциации.

7. Подтверждены различия видового ранга у Spermophilus maior, S. erythrogenys sensu stricto, S. pallidicauda, S. brevicauda; S. suslicus и S. odessanus; Myodes rufocanus, M. sikotanensis и M. rex. Обнаружены различия видового ранга у западной и восточной групп популяций Spermophilus undulatus. Строго показана необходимость повышения статуса Microtus maximowiczii gromovi c подвидового до вида Microtus gromovi.

8. По результатам биохимического исследования проведена ревизия систематики домовой мыши бывшего СССР. Обосновано существование здесь трех видов: Mus musculus, M. macedonicus, M. spicilegus. Очерчены их ареалы. Для Mus musculus обосновано выделение подвидов M. m. musculus и M. m. wagneri. Показана гибридная природа популяций синантропных домовых мышей юга Сибири и Дальнего Востока России.

9. Выдвинуто и обосновано предположение об едином центре происхождения M. musculus в районах южной Азии. Прослежены пути расселения в пределах Евразии в составе природных фаун. Обосновано синантропное расселение домовой мыши из южных районов Восточной Европы до Тихоокеанского побережья Азии.

1. Воронцов Н.Н., Фрисман Л.В., Надлер Ч.Ф., Ляпунова Е.А., Хоффман Р.С., Фомичева И.И. Популяционная генетика и геногеография диких млекопитающих. Сообщ. 1. Геногеография трансферринов и варианты глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы в популяциях палеарктического длиннохвостого суслика Citellus (=Spermophilus undulatus) // Генетика. 1978. Т. 14, № 5. С. 805-816.

2. Воронцов Н.Н., Фрисман Л.В., Надлер Ч.Ф., Фрисман Е.Я. Популяционная генетика и геногеография диких млекопитающих. Сообщ. 3. Временная изменчивость частот аллелей трансферринов в популяциях сусликов Голарктики // Генетика. 1983. Т. 19, № 3. С. 483-487.

3. Воронцов Н.Н., Ляпунова Е.А., Белянин А.Н., Крал Б., Фрисман Л.В., Ивницкий С.Б., Янина И.Ю. Сравнительно-генетические методы диагностики и оценки степени дивергенции видов-двойников обыкновенных полевок Microtus arvalis и M. epiroticus // Зоол. журн. 1984. Т. 63, вып. 10. С. 1555-1566.

4. Воронцов Н.Н., Фрисман Л.В., Надлер Ч.Ф., Хоффман Р.С., Сердюк В.А. Популяционная генетика и геногеография диких млекопитающих. Сообщ. 6. Геногеография трансферринов в амфиберингийских популяциях берингийского суслика // Генетика. 1987. Т. 23, № 4. C. 725-738.

5. Фрисман Л.В., Коробицына К.В. Генетическая дифференциация домовых мышей Востока СССР. Домовые мыши юга ДВ СССР // Генетика. 1990. Т. 26, № 12. C. 2147-2155.

6. Фрисман Л.В., Кораблев В.П., Ляпунова Е.А., Воронцов Н.Н., Брандлер О.В. Аллозимная дифференциация разнохромосомных форм крапчатого суслика (Spermophilus suslicus Guld. 1770, Rodentia) // Генетика. 1999. Т. 35, № 3. С. 378-384.

7. Якименко Л.В., Коробицына К.В., Фрисман Л.В., Мориваки К., Йонекава Х. Генетические исследования домовых мышей в гибридной зоне Приморского края // Генетика. 2000. Т. 36,

№ 1. С. 77-86.

8. Фрисман Л.В., Картавцева И.В., Павленко М.В., Костенко В.А., Сузуки Н., Иваса М., Накато К., Чернявский Ф.Б. Геногеографическая изменчивость и генетическая дифференциация лесных полевок рода Clethrionomys (Rodentia, Cricetidae) Приохотья // Генетика. 2002. Т. 38, № 5.

С. 655-664.

9. Фрисман Л.В., Картавцева И.В., Костенко В.А., Шереметьева И.Н., Чернявский Ф.Б. Геногеографическая изменчивость и генетическая дифференциация полевки-экономки (Microtus oeconomus Pallas, 1776, Cricetidae, Rodentia) Курильских островов // Генетика. 2003. Т. 39, № 10. С. 1363-1372.

10. Шереметьева И.Н., Картавцева И.В., Фрисман Л.В. Кариологическая и аллозимная изменчивость дальневосточной полевки Microtus fortis Buchner, 1889 (Cricetidae, Rodentia) Дальнего Востока России // Генетика. 2006. Т. 42, № 6. С. 833-843.

11. Vorontsov N.N., Frisman L.V., Lyapunova E.A., Mezhova O.N., Serdyk V.A., Formicheva I.I. The effect of isolation on the morphological and genetical divergence of population. // Genetica (Hague). 1980. V. 52/53. P. 229-238.

12. Frisman L.V., Korobitsyna K.V., Yakimenko L.V., Bokshtein F.M., Muntyanu A.I. Genetic differentiation of house mouse of the USSR fauna: electrophoretic study of proteins // Biol. J. Linn. Soc. 1990. V. 41. P. 65-72.

13. Yakimenko L.V., Korobitsyna K.V., Frisman L.V., Muntyanu A.I. Cytogenetic and biochemical comparisonsof Mus musculus and Mus hortulanus // Experientia. 1990. V. 46. P. 1075-1076.

14. Korobitsyna K.V., Yakimenko L.V., Frisman L.V. Genetic differentiation of house mouse of the former USSR fauna: results of the cytogenetic studies // Biol. J. Linn. Soc. 1993. V. 48. P. 93-112.