Роды chironomus meigen,
На правах рукописи
КАРМОКОВ МУХАМЕД ХУСЕНОВИЧ РОДЫ CHIRONOMUS MEIGEN, 1803 И CAMPTOCHIRONOMUS KIEFFER, 1918 (DIPTERA, CHIRONOMIDAE) ЦЕНТРАЛЬНОГО КАВКАЗА И ПРЕДКАВКАЗЬЯ: СИСТЕМАТИКА, РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ХРОМОСОМНЫЙ ПОЛИМОРФИЗМ 03.02.05 – энтомология
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Санкт-Петербург 2013
Работа выполнена на кафедре общей биологии, фармакогнозии и ботаники Государственного бюджетного образовательного учреждения «Саратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского Министерства Здравоохранения»
Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Полуконова Наталья Владимировна
Официальные оппоненты: доктор биологических наук Петрова Нинель Алексеевна Зоологический институт РАН, ведущий научный сотрудник доктор биологических наук Зинченко Татьяна Дмитриевна Институт экологии Волжского бассейна РАН, заведующая лабораторией
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»
Защита состоится « » 2013 г. в : часов на заседании диссертационного совета Д 002.223.01 при Зоологическом институте РАН, по адресу: Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Зоологического института РАН Автореферат разослан « » 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук Овчинникова Ольга Георгиевна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Близкие роды комаров-звонцов - Chironomus Meigen, 1803 и Camptochironomus Kieffer, 1918 трибы Chironomini относятся к наиболее молодому с эволюционной точки зрения подсемейству Chironominae Macquart, 1838 (Сhironomidae, Diptera).
На основе сходства морфологии личинки и куколки, а также последовательностей ряда генов и последовательностей дисков политенных хромосом Camptochironomus рассматривали как подрод в составе рода Chironomus (Saether, 1977;
Wiederholm, 1979;
Ashe, 1983;
Гурьев, 2002). Однако более значимый в таксономическом отношении комплекс признаков имаго и особенности спаривания свидетельствуют о родовой самостоятельности Camptochironomus (Шилова, Шобанов, 1986;
Шобанов и др., 1996;
Полуконова, 2005). Наиболее крупный по объему род Chironomus насчитывает около 200 видов (Шобанов, 2011). Camptochironomus представлен шестью видами – C. рallidivittatus sensu Edwards, 1929 (Мартин и др., 2011), C. tentans F., C. flavofasciatus Kieffer и C.
setivalva (Shilova) (Шилова, 1957), C. voskerothi (Rasmussen, 1984), C. dilutus (Shobanov et al., 1999).
Массовые виды Chironomus и Camptochironomus хорошо изучены по морфологии (Константинов, 1956;
Шилова, 1958;
Strenzke, 1959;
Родова, 1978;
Панкратова, 1983;
Шобанов, 1990, 2000;
Полуконова, 2005 и др.) и кариотипу (Keyl, 1960, 1962;
Wlker, 1973-1998;
Белянина, 1983;
Michailova, 1989;
Кикнадзе и др., 1991, 1998;
Петрова, 1991;
Филинкова, 1995;
Сиирин, 1996;
Голыгина, 1999;
Шобанов, 2000;
Гундерина, 2001;
Кикнадзе, 2004;
Полуконова, 2001, 2003, 2005 и др.). Однако их видовой состав, особенности морфологии и структура инверсионного полиморфизма многих регионов до сих пор остаются недостаточно исследованными.
Достоверные данные о фауне Chironomus существуют только в регионах, где определение видов сопровождалось цитогенетическим анализом: в регионах Поволжья (Белянина, 1983;
Шобанов, 1990;
Шобанов, Павлова, 1994;
Логинова (Полуконова), 1994;
Полуконова, 2005), Казахстана (Ракищева, 1996), Северного Урала (Филинкова, 1995), Байкала и Прибайкалья (Бухтеева, 1980;
Провиз, 1988), Западной Сибири (Кикнадзе и др., 1991;
Голыгина, 1999;
Андреева, 1999;
Мисейко, 2003 и др.) и Якутии (Кикнадзе и др., 1996).
К регионам, не изученным ни в отношении фауны, ни в отношении морфологии и структуры кариотипа Chironomus и Camptochironomus, относится регион Кавказа. Ранее был известен только один вид Chironomus – Сh. bonus из Восточной Грузии (Шилова, Джваршеишвили, 1974). Исследование Chironomus и Camptochironomus в данном регионе актуально по ряду причин. Центральный Кавказ и Предкавказье представляют собой не только южную границу ареала видов с палеарктическим и голарктическим распространением, но и объединяют разнотипные водоемы, находящиеся на разных высотах. Анализ терминальных популяций, оказавшихся под влиянием факторов высокогорья, позволит вскрыть определенные закономерности формирования структуры их кариотипа.
Цель работы – изучить видовой состав, систематику, особенности морфологии и распространения, кариотипы и хромосомный полиморфизм видов Chironomus Meigen и Camptochironomus Kieffer (Chironomidae, Diptera) Центрального Кавказа и Предкавказья.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Установить видовой состав Chironomus и Camptochironomus, особенности распространения в различных водоемах Центрального Кавказа и Предкавказья.
2. Исследовать морфологические особенности преимагинальных стадий и составить определительную таблицу Chironomus и Camptochironomus по личинке для кавказского региона.
3. Изучить структуру кариотипов и особенности хромосомного полиморфизма видов Chironomus и Camptochironomus из цитологических комплексов thummi, pseudothummi, parathummi, lacunarius и camptochironomus. Определить особенности формирования инверсионного полиморфизма в водоемах, расположенных на разной высоте н.у.м.
4. Сравнить структуру и уровень инверсионного полиморфизма видов Chironomus и Camptochironomus кавказских популяций и популяций других регионов.
Научная новизна. Впервые с использованием кариотипического подхода исследован видовой состав Chironomus и Camptochironomus Кавказа: Кабардино-Балкарской Республики (КБР), Республики Северная Осетия – Алания (РСО-Алания), Карачаево-Черкесской Республики (КЧР) и Ставропольского края. Обнаружено 19 видов Chironomus (18 – подрода Chironomus, s.str.
и один - Lobochironomus) и два - Camptochironomus, для них представлены морфологические диагнозы преимагинальных стадий, детальное картирование политенных хромосом и спектр гетеро- и гомозиготных инверсий. У всех видов 2n=8. Впервые описаны 11 новых хромосомных последовательностей: у Сh. balatonicus Devai et аl., 1983 (bal D19, bal F9), Сh. usenucus Loginova et Beljanina, 1994 (use A3), Сh. nuditarsis Str. (Keyl, 1961) (ndt F2), Ch. bernensis Kltztli, 1973 (ber C2), Ch. aprilinus Meigen, 1838 (apr A3), Ch. pseudothummi Strenzke, 1956 (pst A2, pst B2, pst F2), Ch.
uliginosus Keyl, 1960 (uli B4), Camptochironomus pallidivittatus sensu Edwards, 1929 (pal B10), эндемичных для региона Кавказа, и составлены каталоги последовательностей диcков политенных хромосом (ПХ). Описан новый для науки вид - Сh. kabardensis, sp.n. Описаны кариотипы и морфологические особенности трех новых для науки видов Chironomus – Ch. sp. 1, Ch. sp. 2 и Сh.
kabardensis, sp.n. Впервые определены экологические факторы, ограничивающие обитание Chironomus и Camptochironomus в водоемах Кавказа, которые можно рассматривать в качестве изолирующих барьеров, ограничивающих панмиксию между соседними популяциями. Впервые установлены морфологические и кариотипические особенности кавказских популяций 15 уже известных видов, расширяющие представления об их морфологии и структуре кариофондов.
Впервые на основе хромосомного анализа выявлено, что большинство кавказских популяций видов с широким ареалом – терминальные, обладающие специфичными особенностями по составу хромосомных последовательностей.
Теоретическая и практическая значимость. Впервые установлены особенности инверсионного полиморфизма Chironomus высокогорных водоемов: снижение его уровня и формирование эндемичного состава генотипических комбинаций и зиготических сочетаний в результате отсутствия панмиксии с популяциями предгорья. Впервые для региона Кавказа, на кариологически датированном материале составлена определительная таблица по личинке для вида Chironomus и Camptochironomus, приведены диагнозы преимагинальных стадий для 13 видов.
Таблица используется в учебном процессе на кафедре зоологии, а цитофотокарты ПХ - на кафедре генетики СГМУ. Определены модельные виды для проведения экологического и хромосомного мониторинга водоемов Кавказа – Ch. nuditarsis, Ch. piger и Ch. riparius, как наиболее массовые и обитающие в разнообразных водоемах от 300 до 2760 м н.у.м. Составлены каталоги последовательностей дисков ПХ Chironomus и Camptochironomus, которые послужат отправной точкой в мониторинге хромосомного состава популяций хирономид данного региона.
Положения, выносимые на защиту:
1. Снижение числа видов Chironomus и Camptochironomus в водоемах кавказского региона наблюдается выше 1000 м над уровнем моря (н.у.м.), на такой высоте в основном обитают виды цитокомплекса pseudothummi (56%), что может быть связано с селективным преимуществом сочетания хромосомных плеч этого цитокомплекса в условиях высокогорья.
2. Предгорная и высокогорная популяции широко распространенного вида Ch. nuditarsis – терминальные и различаются качественным составом хромосомных последовательностей, что свидетельствует об отсутствии свободного обмена генами между ними и указывает на наличие частичной изоляции, способствующей формированию эндемичного внутрипопуляционного полиморфизма.
3. С увеличением высоты н.у.м. в популяциях Chironomus возрастает и мономорфность по определенным хромосомным последовательностям, имеющих, видимо, селективное преимущество. Для большинства видов pseudothummi-комплекса, а также Сh. piger и Сh. riparius, преимущество в условиях высокогорья имеют стандартные последовательности;
у видов thummi комплекса, на примере, Сh. nuditarsis, мономорфными могут быть последовательности, не являющиеся базовыми для вида.
Апробация работы. Материалы диссертации представлены на IX Международной конференции «Биологическое разнообразие Кавказа» (Махачкала, 2007);
Международной научно практической конференции (Ставрополь, 2008);
межрегиональной с Международным участием конференции «Молодежь и наука: итоги и перспективы» (Саратов, 2008);
X трихоптерологическом симпозиуме и IV Всероссийском симпозиуме по амфибионтным и водным насекомым (Владикавказ, 2010);
V Международной конференции по кариосистематике беспозвоночных животных (Новосибирск, 2010);
XIV Школе-конференции молодых ученых (Борок, 2010);
Международной научной конференции «Фундаментальные проблемы энтомологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2011);
Всероссийской конференции с международным участием со школой-семинаром молодых ученых по изучению хирономид (Тольятти, 2011);
XIV съезде Русского энтомологического общества (Санкт-Петербург, 2012).
Декларация личного участия автора. В диссертационной работе использованы материалы, собранные лично автором. Автор самостоятельно проводил все этапы морфологического и кариотипического анализа, а также компьютерную обработку полученных результатов, принимал участие в обсуждении. Суммарное личное участие автора составило 80%.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, включая 11 статей, из которых 6 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация содержит разделы: введение, обзор литературы, материал и методы, результаты и обсуждение, заключение, выводы, список литературы и приложения. Работа изложена на 163 страницах, включает 20 рисунков и 28 таблиц в тексте и рисунков и 32 таблицы в приложениях, список цитируемой литературы включает 330 ссылок, из которых 126 на иностранном языке.
Благодарности. Автор искренне признателен своему научному руководителю д.б.н. Н. В.
Полуконовой, а также благодарен глубокоуважаемым коллегам, с которыми обсуждались фрагменты исследования – д.б.н. Н. А. Шобанову (Борок), к.б.н. А.М. Хатухову (Нальчик), к.б.н. М.В. Ермохину и к.б.н. М.Ю. Воронину (Саратов) и коллегам, с которыми проводились экспедиции по сбору научного материала – А.В. Якимову и В.Л. Львову (Нальчик).
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Современное состояние изученности хирономид Chironomus и Camptochironomus (обзор литературы) Представлено современное состояние изученности Chironomus и Camptochironomus России.
Данные по видам этих родов на Кавказе практически отсутствуют, проводимые ранее в этом регионе исследования фауны хирономид без использования кариологического метода не достоверны.
Приведены основные принципы и подходы к анализу инверсионного полиморфизма Chironomus (Гундерина, Кикнадзе, 1999, 2000;
Полуконова, 2005;
Шобанов, Большаков, 2011 и др.).
Глава 2. Материалы и методы исследования Материал. Материалом послужили в основном личинки и куколки Chironomus и Camptochironomus, собранные в 2005 – 2012 г.г. (табл. 1) из водоемов Центрального Кавказа и Предкавказья (КБР, КЧР, РСО-Алания, Ставропольский край). Изучен 21 видов, из них 19 видов Chironomus и два - Camptochironomus. Обработано более 200 гидробиологических проб, проанализировано около 1650 морфологических препаратов и более 1600 препаратов политенных хромосом (ПХ).
Методы. При сборе и обработке материала использованы общепринятые гидробиологические и морфологические методы (Черновский, 1949;
Шилова. 1976;
Макарченко, 1985). Высоту над уровнем моря (н.у.м.) определяли устройством GPS. Препараты ПХ готовили по этило-орсеиновой методике (Демин, Шобанов, 1990);
их анализ проводили под микроскопом «Люмам И-1»;
фотографирование - фотоаппаратом «Canon Power Shot A470».
Для Chironomus картирование ПХ проводили в системе Кейла (Keyl, 1962) и Деваи с соавторами (Devai et al., 1989);
для видов группы plumosus также в системе Максимовой (1976) и Шобанова (1994). Обозначение районов проводили по цитофотокартам: для видов группы plumosus (Кикнадзе и др., 1991;
Полуконова, Белянина, 1993;
Шобанов, 1994), Сh. nuditarsis (Кикнадзе и др., 2006), Сh. annularius, Сh. рiger, Сh. riparius, Сh. melanescens (Кикнадзе и др., 1991), Сh. рseudothummi (Кикнадзе и др., 2008) Сh. luridus (Кикнадзе и др., 2010), Сh. dorsalis (Kiknadze et al., 2008), Сh. aprilinus (Кикнадзе, Истомина, 2009), Сh. parathummi (Кикнадзе и др., 1991), Сh. bernensis (Кикнадзе и др., 2009), Сh. salinarius (Michailova, 1974, 1989), для Camptochironomus (Beermann, 1955;
Kiknadze et al., 1996, 1998).
Таблица Материал и места сбора видов Chironomus и Camptochironomus Центрального Кавказа и Предкавказья Цифрами обозначены водоемы: 1 – горячие источники, 2 – солоноватые водоемы, 3 – озера, 4 – горные реки, 5 – временные водоемы, 6 – рыбоводные пруды, 7 – водопойные запруды на горных речках, 8 – заболоченные ручьи, 9 –водохранилища равнинных рек, 10 – равнинные реки, 11 – пойменные лужи Число число исследованных Исследованные регионы выборок особей по Кавказа (% от Виды общего морфо- карио Ставр.
числа) логии -типу КБР КЧР РСО край Chironomus цитокомплекса thummi Сh. plumosus (Linnaeus, 1758) 6,10,11 - - 9 8 (5,6) 49 Сh. balatonicus Devai et el., - - - 6,9 5 (3,5) 78 Сh. usenucus Loginova et - - - 9 1 (0,7) 17 Beljanina, Сh. nuditarsis Str. (Keyl, 3, - 11 9,11 24 (16,9) 159 1961) 6,9,10, Сh. annularius Strenzke, 1804 7,11 - 11 11 5 (3,5) 41 4,5,7,8,9, Сh. piger Strenzke, 1959 - - - 23 (16,3) 439 10, Сh. riparius Meigen, 1804 4,8,10,11 - 11 9,10 18 (12,8) 307 Сh. salinarius Kieffer, 1915 2 - - - 1 (0,7) 40 Сh. sp. 2 (Kuban.) - - - 11 1 (0,7) 10 Chironomus цитокомплекса pseudothummi Сh. pseudothummi Strenzke, 7 - - - 1 (0,7) 37 Ch. aprilinus Meigen, 1838 2 - - - 1 (0,7) Сh. luridus Strenzke, 1959 3,8,10 - - 11 9 (6,3) 70 Сh. dorsalis Meigen, 1818 5,7,8,11 - - - 15 (10,5) 249 Сh. melanescens Keyl, 1961 5,6,11 - 11 10 8 (5,6) 43 Сh. kabardensis, sp.n. 1,3,8 - - - 1 (0,7) 30 Сh. sp. 1 (Kuden.) 7 - - - 1 (0,7) 2 Ch. uliginosus Keyl, 1960 1 - - - 1 (0.7) 4 Chironomus цитокомплекса parathummi Сh. parathummi Keyl, 1961 8 - - - 1 (0,7) 2 Chironomus цитокомплекса lacunarius Сh. bernensis Kltztli, 1973 4,10,11 4,11 5 9,11 12 (8,5) 48 Camptochironomus цитокомплекса camptochironomus C. tentans (Fabricius), 1805 9,10 - - - 2 (1,4) 3 C. pallidivittatus sensu 10, 7,8 - - 5 (3,5) 24 Edwards 1929 При описании инверсионного полиморфизма использованы как, общепринятые показатели:
число гетерозиготных инверсий на особь;
число зиготических сочетаний;
число генотипических комбинаций и др. и, так и введенные нами: отношение числа зиготических сочетаний на особь;
число генотипических комбинаций на особь. Оценку сходства водоемов по видовому составу проводили с помощью коэффициента сходства Жаккара (KJ). Дендрограммы цитогенетических дистанций строили на основе критерия Нея (1972) по среднему присоединению с учетом отличий по всем последовательностей дисков во всех хромосомных плечах. Дендрограмму сходства водоемов строили методом одиночной связи (ближайшего соседа) с подсчетом Евклидовых расстояний. При статобработке применены методы описательной статистики и корреляционный анализ, реализованные в пакете Statistica 6.0 и модуле Atte Stat в пакете MSExel. Подсчитывались коэффициент Пирсона (r), среднеквадратическое отклонение.
В тексте использованы следующие сокращения: н.у.м. - над уровнем моря;
КБР Кабардино-Балкарская Республика, РСО - Республика Северная Осетия – Алания, КЧР Карачаево-Черкесской Республика, ГС – гулярный склерит, SuR – число радиальных бороздок вентроментальных пластинок личинки, mLC - – минимальная длина головы, SVо – верхние придатки гениталий самца, ПХ – политенные хромосомы, Я – ядрышко, КБ - кольцо Бальбиани.
Глава 3. Фауна и особенности распространения Chironomus Meigen и Camptochironomus Kieffer в водоемах Центрального Кавказа и Предкавказья Физико-географическая характеристика региона исследования. В работе исследованы регионы Кавказа: КБР, КЧР, РСО-Алания, Ставропольский край (рис. 1).
Рис. 1. Карта исследованных регионов Центрального Кавказа и Предкавказья Кружками обозначены места находок хирономид Chironomus и Camptochironomus Регион представляет центральную часть северного макросклона Большого Кавказа и включает разнотипные ландшафты с перепадом высот от 150 до 5600 м н.у.м. Изученные водоемы локализованы в равнинной (до 500 м), предгорной (500-1000 м) и горной (выше 1000 м) зонах.
Исследованы водоемы естественного (реки, озера, заболоченные ручьи, солоновато водные водоемы, горячие источники, временные водоемы - дождевые лужи, пойменные лужи и др.) и антропогенного происхождения (водохранилища равнинных рек, рыбоводные пруды, водопойные запруды на горных речках и др.) (табл. 1).
Фауна видов Chironomus и Camptochironomus и особенности их распространения по разным водоемам. Выявлен 21 вид (19 видов Chironomus и два Camptochironomus), из них три вида Chironomus – новые для науки. В целом число обнаруженных видов Chironomus и Camptochironomus в регионе Кавказа сходно с таковым в регионах Нижнего Поволжья (Логинова (Полуконова), 1994;
Полуконова, 2005), Верхнего Поволжья (Шобанов, 1989;
Шобанов, Павлова, 1994), Полярного Урала (Филинкова, 1995), Якутии (Кикнадзе и др., 1996), Восточного Казахстана (Ракишева, 1996) и других регионах и представлено в основном уже известными видами с голарктическим и палеарктическим распространением.
Для видов Chironomus с узким ареалом характерна единичная встречаемость (0.7% от общего числа выборок), для видов с широким ареалом – от 3.5 до 16.9% (табл.1). Сохраняется известная приуроченнсоть к определенным местам обитания: солоноводные Chironomus (Ch.
salinarius, Ch. aprilinus) отмечены только в солоноватых водоемах;
виды группы plumosus и Ch.
nuditarsis – преимущественно в крупных водоемах (равнинных реках, водохранилищах, прудах и озерах) (табл. 1). Наиболее часто встречаемые виды на Кавказе (табл. 1): Ch. nuditarsis, отмечен в 16.9% исследованных водоемов, Ch. piger (16.3%), Ch. riparius (12.8%) и Ch. dorsalis (10.5%). Наиболее разнообразные водоемы занимали Ch. nuditarsis и Ch. piger (табл. 2).
Таблица Заселение Chironomus и Camptochironomus водоемов Центрального Кавказа и Предкавказья Кол-во № Водоем Виды видов горячие источники Сh. kabardensis 1 солоноводные Сh. salinarius, Ch. aprilinus 2 водоемы озера Сh. nuditarsis, Сh. luridus, Сh. kabardensis, Ch. uliginosus 3 горные реки Сh. piger, Сh. riparius, Сh. bernensis 4 временные водоемы Сh. piger, Сh. dorsalis, Сh. melanescens, Сh. bernensis 5 Сh. plumosus, Сh. balatonicus, Сh. nuditarsis, Сh.
рыбоводные пруды 6 melanescens водопойные запруды Сh. annularius, Сh. piger, Сh. pseudothummi, Сh. dorsalis, 7 на горных речках Сh. sp. 1 (Kuden.), C. pallidivittatus Сh. piger, Сh. riparius, Сh. luridus, Сh. dorsalis, Сh.
заболоченные ручьи 8 kabardensis, Сh. parathummi, C. pallidivittatus водохранилища Сh. plumosus, Сh. balatonicus, Сh. usenucus, Сh. nuditarsis, 9 равнинных рек Сh. piger, Сh. riparius, Сh. bernensis, C. tentans Сh. plumosus, Сh. piger, Сh. nuditarsis, Сh. riparius, Сh.
равнинные реки luridus, Сh. melanescens, Сh. bernensis, C. tentans, C.
10 pallidivittatus Сh. plumosus, Сh. nuditarsis, Сh. annularius, Сh. piger, Сh.
пойменные лужи riparius, Сh. sp. 2 (Kuban.), Сh. luridus, Сh. dorsalis, Сh.
11 melanescens, Сh. bernensis, C. pallidivittatus Наибольшее число видов (табл. 2) выявлено в пойменных лужах (11 видов), равнинных реках (9) и водохранилищах равнинных рек (8). Менее разнообразны видами - заболоченные ручьи (7), водопойные запруды на горных речках (6), рыбоводные пруды (5), временные водоемы (4), озера (3) и горные реки (3). В горячих источниках обитает только Сh. kabardensis. Наиболее сходны по видовому составу (табл. 3) равнинные реки и водохранилища равнинных рек (KJ=1.55);
равнинные реки и пойменные лужи (KJ=1.54), которые, наряду с водохранилищами равнинных рек и рыбоводными прудами, образуют группу наиболее сходных по видовому составу водоемов (рис.
2). Обособленное положение занимают солоноводные водоемы, значение KJ при сравнении с каждым из исследованных водоемов равно 0 (табл. 3).
Таблица Сравнение водоемов Центрального Кавказа и Предкавказья по видовому составу Chironomus и Camptochironomus на основе критерия Жаккара Цифрами указаны сравниваемые водоемы (табл. 2) №№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 0.333 4 0 0 5 0 0 0 0. 6 0 0 0.167 0 0. 7 0 0 0 0.125 0.143 8 0.143 0 0.111 0.250 0.222 0 0. 9 0 0 0.100 0.250 0.200 0.333 0.076 0. 10 0 0 0.181 0.333 0.300 0.300 0.154 0.333 0. 11 0 0 0.153 0.273 0.363 0.250 0.308 0.285 0.357 0. Распределение изученных Chironomus и Camptochironomus на Центральном Кавказе и Предкавказье показало, что число видов уменьшалось с увеличением высоты н.у.м. (рис. 3) (r=0.98, p0.001). Снижение числа видов наблюдалось выше 1000 м н.у.м., с которой связана низкая среднегодовая температура водоема. Наибольшую высоту занимал Ch. piger (2763 м н.у.м.).
Наибольший диапазон высот отмечен у Ch. piger, а также Ch. dorsalis и Сh. melanescens, и таких видов, как Сh. nuditarsis, Сh. riparius, Сh. luridus, C. pallidivittatus (рис. 4).
Вскрыта взаимосвязь цитогенетических и экологических особенностей видов виды цитокомплекса Chironomus:
экологически более 0. pseudothummi пластичны, по сравнению с видами thummi комплекса и способны обитать в 0. разнообразных мелких водоемах с разным гидрологическим режимом (табл. 1) и даже 0. бытовых емкостях и горячих источниках Distance (Ch. kabardensis), где другие виды этого рода 0. не встречаются. До 1000 м н.у.м. преобладали виды цитокомплекса thummi (53%);
на долю других цитокомплексов (parathummi, lacunarius и camptochironomus) приходилось по 6% и 1. 29% - pseudothummi (рис. 5).
1. 1. Рис. 2. Дендрограмма сходства водоемов по видовому составу, построенная по коэффициенту Жаккара методом одиночной связи (ближайшего соседа) – single linkage) Цифры обозначают сравниваемые водоемы (табл. 2). По оси указаны Евклидовые расстояния В целом с увеличением высоты разнообразие цитокомплексов снижалось, и в высокогорье обитали виды только цитокомплексов pseudothummi (56%), а также thummi (33%) и camptochironomus (11%). По своим экологическим особенностям к видам цитокомплекса pseudothummi близки и Сh.
piger, Сh. riparius (рис. 4), что, наряду с морфологическими и цитогенетическими признаками отражает их родство с видами комплекса pseudothummi.
Рис. 3. Зависимость числа видов (S) Chironomus и Camptochironomus от высоты н. у. м.
В изученных водоемах Ch. plumosus в подавляющем большинстве случаев его обнаружения (75%) обитал раздельно от других видов группы plumosus, Сh. balatonicus - в 80%, что в целом нехарактерно для симпатрических видов-двойников группы, к которым относят большинство представителей, за исключением Ch. bonus, обитающим аллопатрично в Восточной Грузии (Шилова, Джваршеишвилли, 1974). Такое раздельное обитание двойников в условиях высокогорья указывает на присутствие ряда факторов, способных создать предпосылки дальнейшему аллопатрическому видообразованию.
Рис. 4. Высотное распределение мест находок исследованных видов Chironomus и Camptochironomus в регионе Центрального Кавказа и Предкавказья Цифрами обозначены виды цитокомплекса thummi: 1 - Сh. plumosus, 2 - Сh. balatonicus, 3 Сh. usenucus;
4 - Сh. nuditarsis, 5 - Сh. salinarius, 6 - Сh. annularius, 7 - Сh. sp. 2 (Kuban.), 8 - Сh.
riparius, 9 - Сh. piger, цитокомплекса pseudothummi: 10 - Сh. pseudothummi, 11 - Ch. aprilinus,12 Сh. luridus, 13 - Сh. dorsalis, 14 - Сh. melanescens, 15 - Сh. kabardensis, 16 - Сh. sp. 1 (Kuden.), 17 Ch. uliginosus;
цитокомплекса lacunarius: 18 - Сh. bernensis;
цитокомплекса parathummi: 19 - Сh.
parathummi, цитокомплекса сamptochironomus: 20 – C. tentans, 21 - C. pallidivittatus.
Рис. 5. Соотношение видов Chironomus и Camptochironomus разных цитокомлексов на равнине, предгорье (а) и высокогорье (б) Обозначения: 1- thummi-комплекс, – pseudothummi, 3 – lacunaruis, 4 – parathummi, 5 – camptochironomus Ch. piger и Ch. riparius, обитающие, наоборот, как правило, раздельно (Keyl, Strenzke, 1956, 1965;
Полуконова, 2005), в двух из 10 исследованных водоемов Кавказа были встречены вместе.
При этом гибридов между ними в данных выборках не зарегистрировано, что доказывает наличие в кавказском регионе репродуктивной изоляции между Ch. piger и Ch. riparius, долгое время считавшихся подвидами (Keyl, Strenzke, 1956, 1965). В большинстве же водоемов КБР выявлены четкие различия по характеру географического распространения и биотопической приуроченности этих видов - Ch. piger заселял преимущественно стоячие водоемы на высоте 200 – 2763 м н.у.м., а Ch. riparius - текучие водоемы на высоте 156 – 667 м н.у.м.
Глава 4. Особенности морфологии преимагинальных стадий видов Chironomus Meigen и Camptochironomus Kieffer Исследованные виды Сhironomus относились к группам: plumosus (Сh. plumosus, Сh.
balatonicus, Сh. usenucus);
riparius (Сh. piger и Сh. riparius);
salinarius (Сh. salinarius);
lacunarius (Сh. bernensis);
obtusidens (Сhironomus sp. 2 Kuban.) и tentans (Camptochironomus tentans и C.
pallidivittatus). Сh. nuditarsis по морфологии относится к группе nuditarsis (Полуконова, 2005 а,б;
Полуконова и др., 2005), а по цито- и молекулярно-генетическим данным близок видам группы plumosus (Полуконова и др., 2009).
Виды Сh. kabardensis, sp. n., Сh. sp. 1 (Kuden.), Сh. sp. 2 (Kuban) – новые для науки, из которых комар описан нами только для Сh. kabardensis. Вид Сh. sp. 1 (Kuden.) обнаружен в водопойных запрудах на горных речках (табл. 1, 2). Вид Сh. sp. 2 (Kuban.) является новым представителем группы obtusidens. В отличие от других членов группы обитает во временных водоемах обнаружен нами в пойменных лужах (табл. 1, 2), в то время, как большинство видов этой группы предпочитают водохранилища или реки.
Сhironomus kabardensis. Обнаружен в горячих источниках, озерах и заболоченных ручьях (табл. 1, 2).
Верхние придатки гениталий самца С-типа (Strenzke, 1959) (рис. 6). По строению личинки (в частности, неокрашенному ГС) и структуре кариотипа (сочетанию хромосомных плеч - AE, CD, BF) Сh. kabardensis близок видам цитокомплекса pseudothuimmi, а по имаго, в частности, по строению верхних придатков (SVо) – видам thummi-комплекса (рис. 6). В то время, как у имаго видов комплекса pseudothuimmi SVо формы «башмачка» (Strenzke, 1959).
Рис. 6. Гениталии самца Сh. kabardensis SVо – верхние придатки гениталий самца Представлены описания преимагинальных стадий уже известных видов Сhironomus и Camptochironomus с привлечением 15 метрических показателей личинки и 5 показателей куколки.
Выявленные особенности морфологии этих видов кавказских популяций в основном заключались в изменении размаха их морфологической изменчивости. За исключением Сh. dorsalis, личинка которого обладала длинными анальными папиллами, во много раз превышающих «обычные» для личинок рода размеры, и темно пигментированной головной капсулой;
Сh. bernensis с хорошо выраженными дополнительными зубчиками внутреннего края премандибулы личинки и Сh.
nuditarsis с темной пигментацией тергитов куколки.
Личинки Chironomus из pseudothummi-комплекса относятся к разным личиночным типам:
одни имеют латеральные отростки (f.l. plumosus), другие их не имеют (thummi). В пределах каждой группы виды имеют более сходное морфологическое строение. Их сходство на стадии личинки подкрепляется и сходством их кариотипов (глава 5). Однако для выделения группы необходим более детальный анализ и других стадий развития – куколки и имаго. Общими признаками для видов личиночного типа f.l. plumosus из pseudothummi- комплекса, служат:
наличие латеральных отростков тела, длинные и извитые вентральные отростки. Из исследованных нами популяций Кавказа к таким сходным видам относились: Сh. pseudothummi, Сh. luridus, Ch. uliginosus и Сh. kabardensis. К дифференцирующим признакам относятся: окраска гулярного склерита, форма вершины срединного зубца ментума, относительные размеры 4-го и 5 го зубцов ментума и расположение кольцевого органа на базальном членике антенны. Общими признаками для видов личиночного типа thummi из pseudothummi-комплекса, служат: отсутствия латеральных отростков тела, округлая вершина срединного зубца ментума и расположение кольцевого органа на 1/3 от основания базального членика антенны. Из исследованных нами популяций Кавказа к таким сходным видам относились: Сh. aprilinus, Сh. melanescens и Chironomus sp. 1 (Kuden.). К дифференцирующим признакам относятся: длина вентральных отростков, окраска гулярного склерита, и относительные размеры 4-го и 5-го зубцов ментума.
ОПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ ТАБЛИЦА ВИДОВ CHIRONOMUS И CAMPTOCHIRONOMUS КАВКАЗА ПО ЛИЧИНКЕ 1(4) Срединные сегменты тела вытянутые, их длина превышает ширину. Фронтальный склерит заметно темнее общей окраски головной капсулы 2(3) Ментум светло-коричневый. Боковые края срединного зубца параллельны друг другу. Сенсилла антенны не заходит за вершину 5-го членика……………………..…………………………….…… …………………………………….…….19 – 28 мм Camptochironomus tentans (Fabricius), 3(2) Ментум черный. Срединный зубец ментума характерной каплевидной формы или округлый так, что его боковые края не параллельны друг другу. Сенсилла антенны заходит за вершину 5-го членика …………………….……………18 – 28 мм C. pallidivittatus sensu Edwards, 4(1) Длина сегментов тела не превышает их ширины. Фронтальный склерит обычно не выделяется и реже – слабо выделяется по окраске от общего тона головной капсулы 5(24) Латеральные отростки имеются 6(9) Вентроментальные пластинки с выступающими за передний край зубчиками. Наружная поверхность пластинок морщинистая 7(8) Вентральные отростки превышают длину подталкивателей, личиночный тип f.l.plumosus …………………………………………….....18 – 23 мм Сhironomus plumosus (Linnaeus, 1758) 8(7) Вентральные отростки короткие, личиночный тип f.l.semireductus ……………………………… ……….………………………………………...…..19 – 25 мм Сh. balatonicus Devai et el.,19831, ………………………………….………….21 – 26 мм Сh. usenucus Loginova et Beljanina, 9(6) Вентроментальные пластинки с гладким передним краем. Наружная поверхность пластинок гладкая 10(11) Все четыре нижних зубца мандибулы черные……..16 - 25 мм Сh. nuditarsis Str. (Keyl, 1961) 11(10) Только три нижних зубца мандибулы черные, четвертый – светлый 12(15) Гулярный склерит (ГС) пигментирован 13(14) ГС темный – два почти черных округлых пятна посередине, более слабая пигментация по краям ………………………………….…..……...15.5–21.0 мм Сh. annularius s. Strenzke, 14(13) ГС чуть затемнен у затылочного склерита…...14.0-18.5 мм Сh. pseudothummi Strenzke, 15(12) ГС не пигментирован 16(19) Боковые зубцы ментума равномерно понижаются к его краям 17(18) Добавочные зубцы ментума близко прилегают к срединному …………….………………...….
…………………………………………………...…………..….14 – 16 мм Сh. kabardensis, sp.n.
18(17) Добавочные зубцы ментума не прилегают к срединному ………………………………….…...
……………………..……………….…………..............15.0-16.5 мм Сh. parathummi Keyl, 19(16) Боковые зубцы ментума понижаются к его краям не равномерно 20(21) 4-й зубец ментума заметно меньше 5-го ……………..…...12–15 мм Ch. dorsalis Meigen, 21(20) 4-й зубец ментума по величине равен 5-му 22(23) Сенсилла антенны достигает вершины 4-го членика. Кольцевой орган расположен по середине базального членика антенны.…………....…15.5-20.5 мм Сh. luridus Strenzke, 23(22) Сенсилла антенны не достигает вершины 4-го членика. Кольцевой орган расположен в 1/3 от основания базального членика антенны …….…11.5-15.5 мм Ch. uliginosus Keyl, 24(5) Латеральные отростки отсутствуют.
25(26) Вентральные отростки отсутствуют, личиночный тип salinarius ………..…….…………………..
…………………..………………..……………………..15.0-18.5 мм Сh. salinarius Kieffer, 26(25) Вентральные отростки имеются 27(32) Вентральные отростки короткие, не заходят за вершину подталкивателей 28(31) Вентральные отростки с округлой вершиной. ГС, вентроментальные пластинки и зубцы премандибулы имеют такую же окраску, как и головная капсула У исследованных Ch. usenicus и Ch. balatonicus кавказских популяций диагностический признак - число радиальных бороздок (SuR), указанный для разделения этих видов (Логинова (Полуконова), 1994), не работает. Так, у Ch. usenicus SuR=90-106, у Ch. balatonicus SuR=93-116, в то время, как в популяциях Нижнего Поволжья у Ch.
usenicus SuR75, а Ch. balatonicus SuR 90.
29(30) Премандибула с двумя основными зубцами и тремя дополнительными зубчиками на базальной части внутренней лопасти ………....13-17 мм Сh. bernensis Wlker et Kltzli, 30(29) Премандибула двулопастная, без дополнительных зубчиков на базальной части внутренней лопасти ……………………………….…..18.0-20.5 мм Сh. aprilinus Meigen, 31(28) Вентральные отростки саблевидные, заострены на вершине (типа fluviatilis). ГС, вентроментальные пластинки и зубцы премандибулы темно пигментированы………...….….
…………………………………………..…………………..…....15.0-16.5 мм Сh. sp. 2 (Kuban.) 32(27) Вентральные отростки длиннее подталкивателей 33(36) Вентральные отростки скорее прямые, чем извитые. Только три нижних зубца мандибулы черные, четвертый – светлый 34(35) ГС весь светлый. 4-й зубец ментума ниже 5-го ….………….…..…..15 мм Сh. sp. 1 (Kuden.) 35(34) ГС ближе к затылочному склериту затемнен. 4-й зубец ментума не ниже 5-го.........................
…………………………………………………….....…13.0-17.5 мм Сh. melanescens Keyl, 36(33) Вентральные отростки заметно извитые. Все четыре нижних зубца мандибулы черные 37(38) mLC=354.2-392.7 (376.5)…........…...............................................13.5-17.0 мм Сh. piger Strenzke, 38(37) mLC=250.5-350.0 (313.5)…...….…………….…………...13.5-18.0 мм Сh. riparius Meigen, Главы 5. Кариотипы и хромосомный полиморфизм видов Chironomus и Camptochironomus Результаты анализа структуры инверсионного полиморфизма Chironomus и Camptochironomus кавказских популяций. Для 21 вида: 19 видов Chironomus и двух – Camрtochironomus проведено детальное картирование ПХ и выявлен спектр гетеро- и гомозиготных инверсий (табл. 4). В ПХ Ch. bernensis из исследованных нами популяций центромеры более крупные n-типа (по классификации Шобанова (2002), а не s-типа, как видно на фотографиях ПХ этого вида их популяций других частей ареала (Petrova, Michailova, 2002;
Истомина, Кикнадзе, 2004). Центромеры хромосом в кариотипах Сh. sp. 1 (Kuden.) и Сh. sp. (Kuban.) тонкие, слабо выраженные, s-типа, у Сh. kabardensis они увеличены (n-тип). Число ядрышек (Я), колец Бальбиани (КБ) и их локализация в хромосомных плечах у Сh. sp. 2 (Kuban.) и Сh. kabardensis обычная для подавляющего большинства видов Chironomus – КБ локализованы в плечах В и G, Я – в плече G. У Сh. sp. 1 (Kuden.) в плече Е имеется дополнительное Я.
По последовательности Сh. sp. 1 (Kuden.) в политенных хромосомах близок к Ch.
pseudothummi. Вид Сhironomus kabardensis по последовательности в политенных хромосомах близок к Ch. luridus.
Хромосомный полиморфизм кавказских популяций Chironomus и Camptochironomus инверсионного типа. Впервые описано 11 новых хромосомных последовательностей (табл. 5).
Только в одной популяции Ch. plumosus у одной личинки обнаружена В-хромосома, и в одной популяции Ch. nuditarsis у двух личинок выявлен darknob. Хромосомно мономорфными в исследованном регионе оказались 9 видов Chironomus: четыре вида комплекса thummi - Сh. piger, Сh. riparius, Сh. salinarius, Сh. sp. 2 (Kuban.), четыре - pseudothummi- комплекса - Сh. dorsalis, Сh.
kabardensis, Ch. uliginosus, Сh. sp. 1 (Kuden.) и один – parathummi- комплекса - Сh. parathummi.
Другие виды были хромосомно полиморфны в той или иной степени. Наиболее полиморфным оказался Ch. usenicus из группы plumosus, у которого во всех плечах выявлены инверсии, число гетерозиготных инверсий на особь 2.58.
Инверсионный полиморфизм Chironomus предгорных и горных популяций. Для анализа полиморфизма Chironomus предгорных и горной популяций нами выбран Ch. nuditarsis, т.к.
только у этого вида наличие инверсий в кариотипе сочеталось с возможностью занимать водоемы на разных высотах. На основе корреляционного анализа полиморфизма Ch. nuditarsis показано, что число зиготических сочетаний на особь и число генотипических комбинаций на особь в популяции не зависят от положения н.у.м. (соответственно: r= 0.65, р 0.161 и r= 0.26, р 0.617).
Таблица Инверсионный полиморфизм Chironomus и Camptochironomus Центрального Кавказа и Предкавказья Число Число Число Плечи с Число ген. гетероз.
Вид Новые ПД зиготич. гетероз.
ПД комбина инверсий на сочетаний инверсиями ций особь Chironomus цитокомплекс thummi (АВ, CD, EF, G) Сh. plumosus 13 - 7-13 1-9 0.5-1.5 A,C,D bal D19, bal Сh. balatonicus 17 7-18 1-26 1.0-2.44 A,B,C,D,F,G F A,B,C,D,E,F, Сh. usenucus 17 use A3 19 14 2. G Сh. nuditarsis 11 ndt F2 11-14 7-11 0.95-1.0 A,B,C,F,G Сh. annularius 13 - 7-13 1-15 0-1.5 A,B,C,D,E,F Сh. piger 7 - 7 1 1 Сh. riparius 7 - 7 1 1 Сh. salinarius 7 - 7 1 1 Сh. sp. 8 8 7-8 2 0.1 F (Kuban.) Chironomus цитокомплекс pseudothummi (AE, CD, BF, G) Сh. pst A2, pst 10 11 6 0.74 A,B,D,F,G B2, pst F pseudothummi 9 apr A3 9 3 0.76 A,G Ch. aprilinus С Сh. luridus 8 - 7-8 1-2 0-1. Сh. dorsalis 7 - 7 1 - Сh. melanescens 8 - 8 1-2 0-1.0 G Сh. kabardensis 7 - 7 1 - Сh. sp. 7 - 7 1 - (Kuden.) 7 uli B4 7 1 - Ch. uliginosus Chironomus цитокомплекс parathummi (AC, DE, BF, G) Сh. parathummi 7 - 7 1 - Chironomus цитокомплекс lacunarius (AD, CB, EF, G) Сh. bernensis 10 ber C2 7-12 1-7 0-1.25 A,C,E Camptochironomus цитокомплекс camptochironomus (CF, AB, ED, G) В C. tentans 8 - 7-8 1-2 0-0. 11 pal B10 8-11 2-4 0.2-1.4 A,B,D,G C. pallidivittatus В то время, как состав генотипических комбинаций и зиготических сочетаний, а также уровень полиморфизма Ch. nuditarsis в предгорных и горной выборках различался. С увеличением высоты водоема н.у.м. снижались частота зиготического сочетания ndt B2.2 и уровень инверсионного полиморфизма по таким показателям, как количество гетерозиготных личинок, число инверсий на особь, число инверсий на плечо и частота гетерозигот ndt G1.2 (табл. 6). Наряду с этим, возрастала частота личинок с ndt G2.2, при этом даже гетерозиготы ndt G1.2 отсутствовали. Ни в какой другой изученной ранее популяции этого вида (Кикнадзе и др., 2006) ndt G2 не только не являлась фиксированной, но даже преобладающей. Такое зиготическое сочетание, как ndt G2.2, маркирует горную «кариоформу», представляющую собой «терминальную» популяцию Ch. nuditarsis (термин в понимании Шобанова (Шобанов, Большаков, 2011).
Таблица Новые последовательности ПХ уже известных видов чертой обозначен инвертированный участок Исходная ПХ Порядок дисков по системе Кейла и Деваи с соавторами ПД bal D19 1-3 17-13g-b 11-13a 10a-8 18d-a 7-4 10e-d 18e-g 19-22 C bal D bal F9 25 21ab 20 19 18 17 16 15c 22c 21c 25ba 24 23 15ab 14 13 C bal F use A3 1-2 10-13a 3-2h 5-9 2-4 13-19 C use A С 23f-18a 11a-17d 10d-8d 8c-7a 1e-g 1h-6 1d-a ndt F2 ndt F 1a-3i 12-8 7d 6cba 5-4a 13a-19f С pst A2 pst A не картирована отличается от pst B1 простой инверсией pst B2 pst B 1a-i 11a-15i 10d- 2a 6a-19d 20a- 22f С pst F2 pst F apr A3 1a-e 6e-9 2d-3 12-10 13-17 18a-d 2a-c 4-5 6d-a 18ef 1k-f 19a-f C apr A не картирована отличается от uli B1 простой инверсией uli B4 uli B ber C2 1-2c 4hi-6b 11c-8 15e-b 4g-2d 15a-11d 6gh 17a-16 7d-a 6f-c 17b-22C ber C 1A 3CB 1BA 10A 9CBA 8CBA 7CBA 6CBA 5CBA 4CBA 1C 2ABC pal B10 pal B 3AB 10BC 11 ABC C Цитогенетическая дистанция между равнинной и предгорной выборками по критерию Нея (1972) - 0.128 (табл. 7) ниже установленного ранее среднего расстояния между популяциями у Chironomus – 0.138 (Кикнадзе и др., 2006). Дистанции между горной выборкой и предгорными больше среднего - от 0.174 до 0.223 (табл. 7, рис. 7) свидетельствуют о значительной хромосомной дивергенции высокогорной популяции. Фиксация в кариотипе не являющейся базовой последовательности в плече G у Chironomus, служит одним из хромосомных маркеров терминальной популяции вида.
Таблица Кариотипические отличия Ch. nuditarsis равнинной, предгорной и горной выборок Зиготическое сочетание и Равнинная Предгорная Горная показатели полиморфизма выборка выборка выборка ndt B2.2 0.200 0.160 0. ndt G1.2 0.440 0.160 ndt G2.2 0.200 0.200 1. % гетерозиготных личинок 88 60 Число инверсий на особь 1.4 1.0 0. Число инверсий на плечо 0.43 0.43 0. Полученные нами данные по структуре полиморфизма вида с широким ареалом распространения в кавказских терминальных популяциях согласуются с мнением Гундериной с соавторами (1999) об увеличении степени цитогенетической дифференциации популяций комаров.
Факторами, влияющими на развитие личинок Chironomus в высокогорных водоемах, выступают низкая температура воды и её слабая минерализация. Поток генов между терминальной горной и терминальной предгорной популяциями могла нарушить низкая температура воды, т.к. она служит фактором, регламентирующим сроки развития личинок хирономид в водоеме и начало вылета имаго (Константинов, 1958;
Соколова и д., 1983). Чем ниже температура водоема, тем дольше требуется времени на развитие личиночной стадии. По данным Лавилля (Laville, 1971) в высокогорных озерах Швейцарии на развитие одной генерации Chironomus требовалось около двух лет и более. В исследованном нами регионе Кавказа среднегодовая температура воды горных водоемов варьировала от 0.4 до 5.3оС (2.98оС), при этом максимальная температура наблюдалась только в июле и не превышала 6оС.
Таблица Цитогенетические дистанции между популяциями Ch. nuditarsis разных частей ареала Кавказ Кавказ Кавказ Болгария Болгария Популяция (предгор (равнин Италия Бельгия Сибирь (горная) 1 ная) ная) Кавказ 0, (предгорная) Кавказ 0,174 0, (равнинная) Италия 0,330 0, Болгария 1 0,368 0,150 0, Болгария 2 0,385 0,074 0,070 0, Бельгия 0,443 0,381 0,163 0,029 0,074 0, 1 1 1 1 1 Сибирь 1 0, 1 1 1 1 1 Сибирь 2 0,879 0, Примечание: по популяциям Сибири, Болгарии, Бельгии и Италии использованы данные Кикнадзе с соавторами и Петровой с соавторами (Кикнадзе и др., 2006;
Petrova et al., 2007).
При низкой температуре высокогорного водоема могло происходить увеличение сроков развития личинок, что могло привести к уменьшению числа генераций, смещению сроков лета имаго из предгорных и горной популяций и возникновению репродуктивной изоляции.
Полученные данные о разном составе гомо- и гетерозиготных личинок горных и предгорных популяций согласуются с тем, что у хирономид вклад в цитогенетическую дифференциацию популяций, вносит не географическое положение популяции, а разные гидрохимические и экологические особенности водоема (Ильинская и др., 1988, 1999;
Шобанов, 1994;
Гундерина и др., 1999;
Шобанов, Большаков, 2011 и др.). К настоящему времени известно, по крайней мере, два факта сопряженности частот отдельных генотипических комбинаций последовательностей ПХ с некоторыми экологическими факторами. Так, были установлены (Pedersen, 1986) значительно меньшая смертность при аноксии гетерозигот plu В1.2 Ch. plumosus по сравнению с гомозиготами plu В1.1 и plu В2.2 и возрастание частот сочетаний beh В1.2 и beh В2.2 Ch. behningi в условиях глубины и повышенного уровня минерализации (Ракишева, 1996).
Факт снижения частоты сочетания ndt B2.2 Ch. nuditarsis в высокогорных условиях – низкой температурой воды и слабой минерализации водоема также касается последовательности В плеча, что свидетельствует о наличии в этом плече у Chironomus жизненно важных генов и их активной работы.
Сравнение уровня и структуры хромосомного полиморфизма изученных видов Chironomus и Camptochironomus популяций Центрального Кавказа и Предкавказья и других частей ареала.
Исследованные нами популяции Сh. piger, Сh. riparius, Сh. salinarius и Сh. dorsalis на Кавказе мономорфны, как и в большинстве других регионов. Популяции видов группы plumosus - Сh.
plumosus и Сh. balatonicus также слабо полиморфные, как и из популяции оз. Балхаш (Ракишева, 1996), в отличие от популяций Верхнего и Нижнего Поволжья (Шобанов, 1994;
Полуконова, а, б) и Западной Сибири (Кикнадзе и др., 1991;
Гундерина и др., 2009 и др.). Учитывая, что у насекомых гетерозиготность популяций снижается к периферии ареала (Dobzhansky et al., 1977 и др.), можно полагать, что регионы Кавказа и Восточного Казахстана, расположенные примерно на одной широте (40-470 с.ш.), близки южной окраине ареала Сh. plumosus и Сh. balatonicus. В то время, как для Ch. usenicus Кавказ, по-видимому, близок к центру его ареала, т.к. в этом регионе он также высоко полиморфен (табл. 3), как и в Нижнем Поволжье (Полуконова, 2003).
Несмотря на низкую температуру водоемов Кавказа у обитающих в них личинок Сhironomus не было обнаружено ни реципрокного обмена хромосомными плечами, ни объединения ПХ в хромоцентр, как это было указано для северных видов (Шобанов, 2002), ни разрывов ПХ и образования транслокаций, а также появления множественных В-хромосом, как это было указано для Сhironomus Якутии (Кикнадзе и др., 1996). Чрезвычайно низкая частота встречаемости добавочных хромосом у личинок Сhironomus в водоемах Кавказа, учитывая установленную ранее (Мисейко и др., 1971;
Чубарева, 1974;
Ракишева, 1996) корреляцию между увеличением числа В-хромосом и техногенным загрязнением может свидетельствовать о низкой антропогенной нагрузке на исследованных нами водоемов.
Анализ структуры инверсионного полиморфизма Ch. nuditarsis с широким ареалом позволило описать положение кавказских популяций относительно других – сибирских и европейских (Кикнадзе и др., 2006;
Petrova et al., 2007). На дендрограмме (рис. 7) кавказские популяции Ch. nuditarsis более близки популяциям из Бельгии, Болгарии и Италии, чем популяциям Сибири. Популяции Кавказа могли быть исходными для европейских.
1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Бельгия Италия Болгария Болгария Кавказ (равнинная) Кавказ (предгорная) Кавказ (горная) Сибирь Сибирь Рис. 7. Дендрограмма цитогенетических дистанций по критерию Нея (1972) между различными популяциями Ch. nuditarsis По популяциям Сибири, Болгарии, Бельгии и Италии использованы данные Кикнадзе и Петровой с соавторами (Кикнадзе и др., 2006;
Petrova et al., 2007).
Пути эволюции Сh. kabardensis. Сh. kabardensis – пока один вид Chironomus, у которого строение личинки и кариотипа сходны с видами цитокомплекса pseudothummi, в то время, как строение имаго – с видами thummi-комплекса (рис. 5). Принято считать (Keyl, 1962;
Шобанов, 2002), что цитокомплекс pseudothummi - производный от thummi-комплекса. Поэтому наличие у данного вида из pseudothummi-комплекса морфологических признаков имаго и личинки, сходных с видами Chironomus цитокомплекса thummi, можно рассматривать как пример установленного ранее отставания морфологии имаго от морфологии личинок и, тем более, от преобразований кариотипа в процессе эволюции (Полуконова, 2005). Аналогичную картину можно наблюдать у Ch. riparius и Ch. piger, кариотипы которых возникли в ходе обратной хромосомной транслокации, в результате которой thummi-комплекс вторично возник от pseudothummi-комплекса (Шобанов, Зотов, 2001), а как форма верхних придатков самца этих видов осталась сходной с видами Chironomus pseudothummi-комплекса (Полуконова, 2005). По-видимому, Сh. kabardensis, ближе других видов pseudothuimmi-комплекса стоит к предковой форме из thummi-комплекса или сравнительно недавно дивергировал от нее.
Заключение На краю ареала популяции наиболее подвержены воздействию экстремальных для вида факторов среды, по-видимому, именно с действием таких факторов и связывают мономорфизм терминальных популяций (Добжанский и др., 1977). Поэтому в терминальных популяциях особенно заметно могут проявляться селективные преимущества определенных цитогенетических признаков. Для большинства видов Chironomus и Camptochironomus с голарктическим и палеарктическим распространением кавказский регион представляет окраину их ареала.
Селективное преимущество такого цитогенетического признака, как разное сочетание хромосомных плеч, в первую очередь, проявилось в освоении видами водоемов, расположенных на разных высотах н.у.м. Так, подавляющее большинство видов высокогорных водоемов обладали сочетанием хромосомных плеч pseudothummi-комплекса.
Кроме того, с увеличением высоты н.у.м. возрастала мономорфность популяции по определенным хромосомным последовательностям, которые, также имели селективное преимущество в условиях высокогорья. Как показало наше исследование для большинства видов pseudothummi-комплекса, а также Сh. piger и Сh. riparius, такими оказались стандартные последовательности. У видов thummi-комплекса, например, у Сh. nuditarsis, популяции которого могли занимать высокогорье, мономорфными могли быть последовательности, не являющиеся базовыми для вида.
Выводы:
1. Установлен видовой состав хирономид двух родов трибы Chironomini - Chironomus и Camptochironomus Центрального Кавказа и Предкавказья (КБР, КЧР, РСО-Алания, Ставропольский край);
выявлен 21 вид: два вида Camptochironomus и 19 - Chironomus (18 – подрода Chironomus, s.str. и 1 - Lobochironomus), из которых три вида Chironomus - новые для науки. С увеличением высоты н.у.м. количество видов Chironomus и Camptochironomus снижается;
наибольшие высоты (2700 м н.у.м.) и разнообразные биотопы занимает Ch. piger. На равнине и в предгорье (до 1000 м н.у.м.) преобладают виды цитокомплекса thummi (53%), а в горных территориях – pseudothummi (56%);
с увеличением высоты разнообразие цитокомплексов снижается;
в горных водоемах обитают виды Chironomus и Camptochironomus с широким палеарктическим распространением цитокомплексов pseudothummi, thummi и camptochironomus.
2. Вскрыта взаимосвязь цитогенетических и экологических особенностей видов Chironomus, проявившаяся в условиях высокогорья в большей экологической пластичности видов цитокомплекса pseudothummi, по сравнению с видами thummi-комплекса. По своим экологическим особенностям к видам этого цитокомплекса близки и Сh. piger, Сh. riparius, что, наряду с морфологическими и цитогенетическими признаками отражает их родство с видами комплекса pseudothummi.
3. Исследованы особенности морфологии преимагинальных стадий и составлены определительные таблицы по личинке для 21 вида Chironomus и Camptochironomus Центрального Кавказа и Предкавказья. Морфологические особенности исследованных из кавказских популяций для большинства известных видов заключались в изменении размаха значений метрических показателей. По признакам имаго и личинки Сh. kabardensis ближе других видов pseudothuimmi комплекса стоит к предковой форме из thummi-комплекса. Определен комплекс интегрирующих и дифференцирующих признаков личинки для видов Chironomus из pseudothummi-комплекса с личиночным типом f.l. plumosus и thummi.
4. Изучена структура кариотипов Chironomus и Camptochironomus из цитокомплексов thummi, pseudothummi, parathummi, lacunarius и camptochironomus кавказского региона.
Хромосомный полиморфизм кавказских популяций инверсионного типа. Описаны 11 новых, эндемичных для кавказских популяций, последовательностей в хромосомах уже известных видов и кариотипы трех новых видов.
5. Установлены различия в кариотипической структуре высокогорной популяции вида Chironomus с широким ареалом, на примере Ch. nuditarsis, заключающиеся в снижении уровня инверсионного полиморфизма наряду с ее видимой цитогенетической дифференциацией. С увеличением высоты расположения водоема н.у.м. снижаются частоты зиготического сочетания ndt B2.2 и возрастает частота ndt G2.2. Значения цитогенетической дистанции между горной и предгорными выборками больше среднего (0.138) и варьируют от 0.174 до 0.223. Фактором, ограничивающим панмиксию и препятствующим обмену генами между предгорными и горными популяциями, служит низкая температура воды высокогорного водоема.
6. Проведено сравнение структуры и уровня инверсионного полиморфизма видов Chironomus и Camptochironomus Центрального Кавказа и Предкавказья и популяций других регионов. Для ряда таких видов, как Сh. plumosus и Сh. balatonicus регион Кавказа близок к периферии их ареала, в то время, как для Ch. usenicus – к центральной части ареала.
Кариотипически кавказские популяции Ch. nuditarsis более близки европейским популяциям, последовательности ПХ этого вида кавказских популяций могли быть исходными для европейских.
7. Определены модельные виды для проведения экологического и хромосомного мониторинга водоемов Кавказа – Ch. nuditarsis, Ch. piger и Ch. riparius, как наиболее массовые и обитающие в разнотипных водоемах на разных высотах от 300 до 2760 м н.у.м. Составлены каталоги последовательностей дисков ПХ Chironomus для проведения мониторинга хромосомного состава популяций хирономид данного региона.
Список работ по теме диссертации Статьи в журналах, рекомендованных ВАК 1. Кармоков, М.Х. О некоторых итогах кариологического анализа видового разнообразия рода Chironomus Кабардино-Балкарской Республики / М.Х. Кармоков, А.М. Хатухов // Вестник Адыгейского госуниверситета. Выпуск 4. Серия «Естественно-математические и технические науки». – Майкоп: изд-во АГУ, 2008. – С. 120–121.
2. Кармоков, М.Х. Кариотип и хромосомный полиморфизм Chironomus nuditarsis Str. (Keyl, 1962) (Chironomidae, Diptera) Центрального Кавказа / М.Х. Кармоков, Н.В. Полуконова, М.Ю.
Воронин, М.И. Шаповалов // Вестник Адыгейского госуниверситета. Выпуск 4. Серия «Естественно-математические и технические науки». – Майкоп: изд-во АГУ, 2011. – С. 230–241.
3. Кармоков, М.Х. Фауна и особенности распространения хирономид Chironomus Meigen и Camptochironomus Kieffer (Chironomidae, Diptera) в водоемах Центрального Кавказа и Предкавказья / М.Х. Кармоков, Н.В. Полуконова // Поволжский экологический журнал. – 2012. – № 1. – С. 95–98.
4. Полуконова, Н.В. Распространение личинок хирономид Chironomus Meigen и Camptochironomus Kieffer (Diptera) в водоемах Центрального Кавказа / Н.В. Полуконова, М.Х.
Кармоков // Известия Саратовского университета. Серия Химия. Биология Экология. – 2012. – Т.
12, вып 3. – С. 84–92.
5. Кармоков, М.Х. Кариотип и инверсионный полиморфизм комара-звонца Chironomus aprilinus Meigen, 1818 (Diptera, Chironomidae) Центрального Кавказа / М.Х. Кармоков, Н.В.
Полуконова, М.Ю. Воронин // Кавказский энтомологический бюллетень. – 2012. – Т. 8, № 2. – С.
300–304.
6. Полуконова, Н.В. Микроэволюционные изменения в популяциях Chironomus nuditarsis Str.
(Keyl, 1962) (Chironomidae, Diptera) Центрального Кавказа / Н.В. Полуконова, М.Х. Кармоков // Генетика. – 2013. – Т. 49, №2. – С. 175–181.
Статьи в других журналах, сборниках 7. Кармоков, М.Х. Кариотипическая структура двух видов рода Chironomus (Chironomidae, Diptera) Центрального Кавказа / М.Х. Кармоков, А.М. Хатухов, Н.В. Полуконова // Труды Ставропольского отделения Русского энтомологического общества. Вып. 4: материалы Международной научно-практической конференции. – Ставрополь: АГРУС, 2008. – С. 255–257.
8. Кармоков, М.Х. Новое в кариосистематике Chironomus Кабардино-Балкарской Республики / М.Х. Кармоков, А.М. Хатухов // Вестник КБГУ: Серия биол. науки. Вып. 10. – Нальчик: Каб.-Балк. ун-т., 2009. – С. 23–24.
9. Хатухов А.М. Эколого-географические закономерности размещения рода Chironomus (Chironomidae: Diptera) на Центральном Кавказе / А.М. Хатухов, М.Х. Кармоков // Материалы России и сопредельных стран: Материалы IV Всероссийского симпозиума по амфибиотическим насекомым и X трихоптерологического симпозиума «Проблемы водной энтомологии России и сопредельных государств». – Владикавказ.: СОГУ, 2010. – С. 117–121.
10. Полуконова Н.В. Возможности и перспективы использования комаров-звонцов (Chironomidae, Diptera) при комплексном подходе в биологическом мониторинге водных экосистем и токсикологических исследования / Н.В. Полуконова, И.В. Демина, А.Г. Демин, М.Х. Кармоков, И.А. Федорова // Материалы России и сопредельных стран: Материалы IV Всероссийского симпозиума по амфибиотическим насекомым и X трихоптерологического симпозиума «Проблемы водной энтомологии России и сопредельных государств». – Владикавказ.: СОГУ, 2010. – С. 69–73.
11. Кармоков, М.Х. Сравнение двух близкородственных видов Chironomus – Ch. riparius Meigen (1818) и Ch. piger Strenzke (1959) (Diptera, Chironomidae) Центрального Кавказа и Нижнего Поволжья по эколого-географическим особенностям, морфологическим признакам личинок и кариотипу / М.Х. Кармоков, А.М. Хатухов, Н.В. Полуконова // Сборник научных трудов Академии Наук Чеченской Республики. №3. – Грозный: АНЧР, 2011. – С. 206–219.
Тезисы конференций 12. Кармоков, М.Х. О первом опыте применения кариологического метода в диагностике Chironomus в условиях Кабардино-Балкарии / М.Х. Кармоков, А.М. Хатухов // Материалы докладов IX Международной конференции «Биологическое разнообразие Кавказа». – Махачкала:
Дагестанский госуниверситет, 2007. – C. 186.
13. Кармоков, М.Х. Инверсионный полиморфизм комара-звонца Chironomus nuditarsis (Chironomidae, Diptera) Кабардино-Балкарии / М.Х. Кармоков // Материалы межрегиональной научно-практической конференции студентов с Международным участием «Молодежь и наука:
итоги и перспективы». – Саратов: Изд-во Саратовского медицинского ун-та, 2008. – С. 79.
14. Кармоков, М.Х. Кариотипические особенности кабардино-балкарских популяций видов двойников Chironomus группы plumosus (Chironomidae: Diptera) / М.Х. Кармоков, А.М. Хатухов, Н.В. Полуконова // V Международная конференция кариосистематики беспозвоночных животных. – Новосибирск, 2010. – С. 55.
15. Кармоков, М.Х. Инверсионный полиморфизм трех видов Chironomus (Chironomidae:
Diptera) – Ch. plumosus, Ch. balatonicus и Ch. usenicus Кабардино-Балкарии / М.Х. Кармоков, А.М.
Хатухов, Н.В. Полуконова // Биология внутренних вод: Тезисы докладов XIV Школы-конференции молодых ученых (Борок, 26–30 октября 2010 г.). – Борок, 2010. – С. 70.
16. Кармоков, М.Х. Кариосистематика комаров-звонцов Chironomus и Camptochironomus (Chironomidae, Diptera) Центрального Кавказа / М.Х. Кармоков, А.М. Хатухов, Н.В. Полуконова // Материалы международной научной конференции «Фундаментальные проблемы энтомологии в XXI веке». Санкт-Петербург, 16-20 мая 2011 гг. Под редакцией В.Е. Кипяткова и Д.Л. Мусолина. – СПб: С.-Петербургского ун-та, 2011. – С. 198.
17. Кармоков, М.Х. Кариотипическая структура популяция Chironomus nuditarsis Str. (Keyl, 1962) (Chironomidae, Diptera) Центрального Кавказа / М.Х. Кармоков, А.М. Хатухов, Н.В.
Полуконова // Материалы Всероссийской конференции с международным участием «Экология малых рек в XXI веке со школой-семинаром молодых ученых по изучению хирономид (Diptera, Chironomidae) 5-8 сентября 2011 г. – Тольятти, 2011. – С. 77.
18. Полуконова, Н.В. Микроэволюция высокогорной популяции Chironomus nuditarsis Str.
(Keyl, 1962) (Diptera, Chironomidae) Центрального Кавказа / Н.В. Полуконова, М.Х. Кармоков // Материалы XIV съезда Русского энтомологического общества Санкт-Петербург, 27 августа – сентября 2012 гг. – СПб: С.-Петербургский ун-т, 2012. – С. 350.
19. Кармоков, М.Х. Кариотипическая структура популяции Chironomus pseudothummi Str.
(Diptera, Chironomidae) Центрального Кавказа / М.Х. Кармоков, Н.В. Полуконова // Материалы XIV съезда Русского энтомологического общества Санкт-Петербург, 27 августа – 1 сентября 2012 гг. – СПб: С.-Петербургского ун-та, 2012. С. 172.
20. Кармоков, М.Х. Кариосистематика комаров-звонцов Chironomus и Camptochironomus (Diptera, Chironomidae) Центрального Кавказа и Предкавказья / М.Х. Кармоков, Н.В. Полуконова // Материалы IV Международной конференции "Горные экосистемы и их компоненты", посвященной 80-летию основателя ИЭГТ КБНЦ РАН чл.-корр. РАН А.К. Темботова и 80-летию Абхазского государственной университета. – Нальчик: Издательство М. и В. Котляровых (ООО «Полиграфсервис и Т»), 2012. – С. 148.