Внутрипопуляционная и географическая изменчивость широкоареального вида harmonia axyridis pall. по комплексу полиморфных признаков
На правах рукописи
БЛЕХМАН Алла Вениаминовна ВНУТРИПОПУЛЯЦИОННАЯ И ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ШИРОКОАРЕАЛЬНОГО ВИДА HARMONIA AXYRIDIS PALL.
ПО КОМПЛЕКСУ ПОЛИМОРФНЫХ ПРИЗНАКОВ 03.00.15 - генетика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва, 2009
Работа выполнена в лаборатории цитогенетики Учреждения Российской академии наук Института биологии развития им. Н.К. Кольцова и в лаборатории сравнительной генетики животных Учреждения Российской академии наук Института общей генетики им. Н.И. Вавилова Научные руководители: доктор биологических наук, профессор Н.Н. Воронцов доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, профессор И.А. Захаров-Гезехус
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор В.Г. Митрофанов доктор биологических наук, профессор М.И. Гордеев Ведущее учреждение: Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова
Защита диссертации состоится "_21_"_января2009 г. в 16 ч.
на заседании диссертационного совета Д002.238.01 при Учреждении Российской академии наук Институте биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН по адресу: 119334, г. Москва, ул. Вавилова, д. 26.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН.
Автореферат диссертации разослан_"_19" декабря 2008 г
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Е.Б.Абрамова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Проблема образования видов и подвидов остается актуальной в современной биологии. Ключом к пониманию закономерностей и механизмов микроэволюции является изучение пространственной и временной динамики генофондов, о которой мы можем судить, прежде всего, по внутри- и межпопуляционной изменчивости полиморфных признаков. Кроме того, изуче ние современной картины внутрипопуляционной и географической изменчиво сти полиморфных признаков в природных популяциях широкоареальных видов дает возможность делать выводы об их эволюционной истории. Одними из из любленных объектов популяционно-генетических исследований давно стали разные виды божьих коровок с присущей им широкой изменчивостью рисунков элитр, генетическая детерминация которых у некоторых видов хорошо изучена.
Объектом наших исследований стала Harmonia axyridis (Coleoptera, Coc cinellidae) – широкоареальный вид кокцинеллид, у которого ранее было изуче но наследование не только рисунка элитр, но и еще одного признака – наличия элитрального гребня. Интерес научного сообщества к этому виду в последнее время особенно вырос в связи с его инвазией и необычайно быстрым распро странением, начиная с конца прошлого века, в Северной Америке и в Европе.
Однако, большое количество исследований инвазивных популяций H. axyridis, проведенных к настоящему времени, связаны с изучением особенностей ее эко логии и влияния на природные комплексы в местах инвазии, но практически не затрагивают популяционно-генетические и эволюционные аспекты. Для пони мания факторов, обеспечивших быстрое расселение в разных экологических условиях этого вида, выяснения источников инвазии, а также для решения дру гих микроэволюционных проблем, необходимы исследования генетических особенностей как инвазивных, так и нативных (азиатских) популяций H.
axyridis. Однако, со времен Ф.Г. Добржанского, около 80 лет назад показавшего наличие у этого вида ярко выраженной географической изменчивости рисунка элитр, подробное изучение полиморфизма H. axyridis проводилось только на ограниченных участках ареала. Данные этих исследований не позволяют пока сделать обоснованных выводов ни о характере и механизмах поддержания по лиморфизма отдельных полиморфных признаков, ни о современной внутриви довой структуре этого вида, ни о возможной эволюционной истории ее образо вания. Выяснение этого круга вопросов стало предметом нашего исследования.
Цель и задачи исследования. Цель работы – на основе анализа внутри популяционной и географической изменчивости комплекса полиморфных мор фологических признаков и полиморфизма участка гена COI мтДНК уточнить степень внутривидовой дифференциации H. axyridis и восстановить вероятную историю ее формирования.
Для достижения этой цели были поставлены конкретные задачи:
– составить кадастровый список находок H. axyridis и построить карту ареала вида;
– изучить внутривидовую изменчивость рисунка пронотума, выделить дискрет ные варианты признака и исследовать сопряженность изменчивости рисунка пронотума с рисунком элитр и с полом;
– исследовать внутрипопуляционную и географическую изменчивость трех морфологических признаков: рисунка элитр, рисунка пронотума, наличия элит рального гребня, сделать выводы о характере их полиморфизма;
– проанализировать полиморфизм молекулярно-генетического маркера (участка гена мтДНК, кодирующего малую субъединицу цитохромоксидазы I (СОI)) в некоторых популяциях из разных участков ареала;
– сопоставить между собой географическую изменчивость всех признаков и сделать выводы о внутривидовой структуре H. axyridis и возможной эволюци онной истории ее формирования.
Научная новизна. Впервые у кокцинеллид для анализа внутривидовой изменчивости использован комплекс трех полиморфных признаков. Генетиче ская детерминация двух из них – рисунка элитр и наличия элитрального гребня – хорошо известна;
рисунок пронотума, генетическая детерминация которого неизвестна, для анализа межпопуляционной изменчивости нами использован впервые. Также впервые у кокцинеллид в качестве общепопуляционной харак теристики применяется коэффициент сопряженности V (Крамера) рисунков пронотума и элитр. Подробный анализ изменчивости рисунка пронотума пока зал наличие полового диморфизма, до сих пор у кокцинеллид половой димор физм рисунка покровов никем не описывался. Также впервые у H. axyridis предпринято исследование полиморфизма митохондриального гена COI. При менение комплекса признаков, в том числе не использовавшихся ранее, позво лило доказать подвидовой уровень различий между восточными и западными группами популяций и показать, что зоны клинальной изменчивости морфоло гических признаков - результат их вторичной гибридизации.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные результаты приближают нас к пониманию проблемы соотношения полиморфизма и про цессов микроэволюции - одной из центральных в эволюционной биологии.
Комплекс полиморфных морфологических признаков и молекулярно генетического маркера, может с успехом применяться для хронологического и географического мониторинга как исходных (нативных), так и инвазивных по пуляций H. axyridis. Основные результаты работы и их иллюстрации могут быть использованы в курсах лекций по генетике популяций и теории эволюции и при подготовке учебной литературы.
Апробация работы. Основные материалы диссертации были представ лены на конференции «Современные проблемы биологической эволюции» (17– 20 сентября 2007 г.) и на VII съезде ВОГиС, Саратов, 20-25 декабря 1994 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей (из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК) и 2 тезисов докладов в материалах россий ских конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 4-х глав (обзор литературы, материал и методы исследования, результаты, обсуж дение результатов), выводов и списка литературы, содержащего 153 цитируе мых источника, из них 82 - на иностранном языке. Работа изложена на страницах, имеет 12 таблиц и 18 рисунков.
Глава 1. Обзор литературы Обзор литературы состоит из двух частей. В первой приведены данные о биологических особенностях H. axyridis, как объекта популяционно-генети ческих исследований. Во второй части анализируются данные литературы по различным направлениям изучения внутривидового полиморфизма у H. axyridis и других видов кокцинеллид.
Глава 2. Материал и методы 2.1. Материал По морфологическим признакам проанализировано 47 сборов H. axyridis общим объемом 29695 экз. из 27 различных локалитетов российской части ви дового ареала. Материал собирался нами и по нашей просьбе другими коллек торами, смонтирован мной и в виде энтомологической коллекции хранится в ИБР РАН им. Н.К. Кольцова. Также в работе использованы некоторые сборы И.А. Захарова, хранящиеся у него. Жуки собирались без специального выбора во время осеннего лета на зимовку (или весеннего вылета после зимовки), часть сборов сделана из размножающихся колоний. Частично использован также ма териал энтомологической коллекции ЗИН РАН – около 5000 экз. из 79 локали тетов. Последовательность нуклеотидов участка гена COI проанализирована у 74 экз. из Горно-Алтайска (27), Владивостока (22) и Денвера (США) (25) (ис точником инвазии этого вида в США, по общему мнению, является Китай).
2.2. Методы исследования 2.2.1. Первичный анализ морфологических признаков и методы ста тистического анализа данных Морфологические признаки и пол изучались при 16-32-кратном увеличе нии бинокуляра. Пол определялся по окраске головы и форме последнего сег мента брюшка. На первом этапе данные наблюдений сводились в таблицы со пряженности, анализ которых проводился в пакете Statistica 6.0. Для оценок до лей фенотипов и их статистических ошибок использованы стандартные форму лы. Частота рецессивного аллеля r, определяющего отсутствие элитрального гребня, определялась из соотношения Харди-Вайнберга.
Для оценки степени сопряженности рисунка пронотума с рисунком элитр использовалась мера V-Крамера, принимающая значения от 0 до 1 и позво ляющая оценивать степень корреляции признаков по несимметричным табли цам сопряженности. Коэффициент V рассчитывался по формуле V= 2 / N min(k 1, m 1), его ошибка – Sv= 1 / N min(k 1, m 1), где N – объем выборки, k и m – количества градаций признаков в таблице сопряженности, из которых используется минимальное значение.
Также нами применялись показатели популяционного разнообразия: ко m эффициент µ (среднее число морф)= pi, и hµ (доля редких морф)=1-µ/m, i =1 (m ) со статистическими ошибками – Sµ= и Sh= Sµ/m – соответственно. При N этом m – количество различных морф признака, p1 – pm – их относительные частоты и N – объем выборки (Животовский, 1982).
Для взаимной классификации выборок применялся кластерный анализ, ко торый проводился в пакете Statistica 6.0 в опции Многомерные исследователь ские методы, анализ кластера, по методу полной связи (Complete Linkage) с ис пользованием матрицы эвклидовых дистанций (Euclidean distances). Достовер ность сходства и различий выборок оценивалась стандартно по критерию 2.
Сравнительный статистический анализ нуклеотидных последовательно стей участка гена COI мтДНК проводили в программе MEGA 2.1. Дендрограм ма сходства нуклеотидных последовательностей была построена по методу Neighbor-Joining с использованием двухпараметрической модели эволюции нуклеотидных последовательностей М. Кимуры.
2.2.2. Молекулярно-генетические методы Нами исследована изменчивость участка гена мтДНК, кодирующего ма лую субъединицу цитохромоксидазы I (СОI). Выделение ДНК из божьих коро вок проводилось с помощью набора для выделения ДНК DIAtom DNA Prep фирмы "Изоген" (Россия) в соответствии с инструкцией фирмы производителя.
Метод основан на использовании лизирующего реагента с гуанидинтиоциана том, в присутствии которого ДНК активно сорбируется на NucleoSтм- сорбенте.
Затем ДНК отмывается от белков и солей спиртовым раствором и элюируется из сорбента ЭкстраГеном Етм. Для амплификации фрагмента гена COI размером 658 п.н. проводилась ПЦР с парой праймеров: LCO1490 (5’ GGTCAACAAATCATAAAGATATTGG-3’) и HCO2198 (5’ TAAACTTCAGGGTGACCAAAAAATCA-3’), в которой использовали по 0,1 мкг выделенной тотальной ДНК. ПЦР проводилась на термоциклере GeneAmpR RCR System 2700 (Applied Biosystems) (США) c использованием на боров для амплификации PCR Core ("Изоген", Россия) в конечном объеме 50 l.
Продукты амплификации визуализировали методом электрофореза в 1% ага розном геле, окрашенном бромистым этидием. Выделение из геля и очистка ПЦР-продукта проводились с использованием набора для элюции JETQUIK фирмы Genomed (Германия) в соответствии с инструкцией фирмы производи теля. Секвенирование продуктов амплификации проводилось с обоих прайме ров на приборе ABI PRISM 310 с использованием реагентов фирмы "Applera" (США) согласно рекомендациям фирмы-производителя.
Глава 3. Результаты исследования 3.1. Кадастровый список находок H. axyridis и карта нативной части видового ареала На первом этапе нашей работы была создана подробная карта видового ареала на основе кадастрового списка находок вида, составленного по материа лам коллекций ЗИН и ИБР РАН, а также данным литературы. Все локализован ные точки находок (136 точек) нанесены на карту, представленную в диссерта ции. Здесь имеет смысл привести координаты лишь некоторых пограничных точек: Тюкалинск Омской области – 55°51 с.ш., 72°11 в.д.;
с. Андреевка Сар кандского района Талды-Курганской области – 45°39 с.ш., 79°22 в.д.;
Якутск 62°02 с.ш., 129°43 в.д.;
Шантарские острова 54°54 с.ш., 137°32 в.д. В запад ной части южной границы ареала пограничные точки находятся в северной Монголии на 47–48-м градусах северной широты;
далее в Китае: Бухта-ци (Чжаланьтунь) – 48°30 с.ш., 123°00 в.д.;
Lun-ngan-fu -32° с.ш., 104° в.д.;
про винция Szechwan – 28° с.ш., 112° в.д. На востоке ареала пограничные точки на ходятся на юге о. Сахалин, о. Кунашир и Японских островах.
3.2. Изменчивость H. axyridis по комплексу признаков 3.2.1. Изменчивость рисунка элитр 3.2.1.1. Внутривидовая изменчивость В исследованных выборках обнаружено 16 различных фенотипов рисунка элитр, которые могут являться проявлением различных сочетаний 9 аллелей соответствующего гена. Семь типов рисунка определяются комбинациями че тырех обычных аллелей серии, распологающихся по порядку доминирования следующим образом: conspicua (С) spectabilis (Sp) axyridis (Ax) succinea (s). Остальные 9 фенотипов являются проявлением пяти редких аллелей. Сум марная доля редких фенотипов во всей массе данных составляет всего 0,11%, что позволяет пренебречь их встречаемостью при дальнейшем статистическом анализе выборок. Особенности доминирования в данной серии не позволяют точно оценить число гетерозигот, а наличие в литературе данных о случаях не случайного скрещивания и наличия микростациальной изменчивости у H. axy ridis не позволяет корректно использовать соотношения Харди-Вайнберга для теоретического расчета аллельных частот. В связи с этим дальнейший анализ выборок проводился по распределению четырех реальных фенотипических классов: conspicua, spectabilis, axyridis и succinea, полученных при объединении соответствующих гомо- и гетерозиготных по аллелю succinea фенотипов.
3.2.1.2. Внутрипопуляционная изменчивость Сезонная изменчивость рисунка элитр исследовалась в трех различных локалитетах в парах последовательных весенних и осенних выборок. Получен ные результаты приводятся в табл. 1. Они показывают, что в паре выборок из Таблица 1. Сезонная изменчивость рисунка элитр Достовер Выборка Частота фенотипов элитр, % ность различий Локалитет Дата сбора N conspicua spectabilis succinea p Заповедник октябрь 2000 83 7,23±2,84 7,23±2,84 85,54±3, 10,95 0, "Бастак" май 2001 57 15,79±4,83 22,81±5,56 61,40±6, 10–13.10.2002 130 8,46±2,44 8,46±2,44 83,08±3, Владивосток, 1,01 0, 12.05.2003 129 5,43±1,99 7,75±2,35 86,82±2, ст. Седанка 0,39 0, 6–7.10.2003 475 5,68±1,06 9,47±1,34 84,84±1, 5.10.1974 396 6,31±1,22 8,33±1,39 85,35±1, о. Попова 2,87 0, 10–11.05.1975 137 2,92±1,44 6,57±2,12 90,51±2, заповедника "Бастак" различия частот меланистов и фенотипа succinea высоко достоверны. При этом направление их динамики противоположно наблюдае мому в обеих приморских популяциях, в которых в весенних выборках наблю дается статистически недостоверное повышение частоты фенотипа succinea и понижение доли меланистов.
Микрогеографическая изменчивость. Для оценки возможной микро географической изменчивости H. axyridis во время осеннего лета 2003 г. жуки собирались в 4 точках Владивостока. По два сбора из тех же мест и 1 из Бота нического сада были сделаны в 1995, 2002 и 2004 годах. Результаты анализа встречаемости фенотипов элитр в этих выборках, представленные в табл. 2, по казывают, что различия в частотах отдельных фенотипов между выборками, Таблица 2. Микрогеографическая изменчивость рисунка элитр в г. Владивосток Доли фенотипов элитр в % выборки Объем год Точка и дата сбора conspicua spectabilis axyridis succinea ст. Седанка, 11 окт. 150 5,33±1,83 5,33±1,83 0,67±0,66 88,67±2, Академ. гор-к, осень 795 5,28±0,79 8,05±0,96 86,67±1, ст. Угольная, 6–8 окт. 113 6,19±2,27 7,08±2,41 86,73±3, ст. Седанка, 6,7 окт. 475 5,68±1,06 9,47±1,34 84,84±1, Академ. гор-к, 4 окт. 408 5,39±1,12 5,15±1,09 90,93±1, 2-я речка, 13,20 окт. 204 9,31±2,03 4,90±1,51 85,78±2, ст. Седанка, 10–13 окт. 130 8,46±2,44 8,46±2,44 83,08±3, Академ. гор-к, 04–10 окт. 1722 6,04±0,57 6,45±0,59 87,51±0, Академ. гор-к, 28.сент. 1144 7,17±0,76 7,69±0,79 85,14±1, Ботанический сад, 17 окт. 3987 5,29±0,35 5,54±0.36 89,16±0, собранными на ст. Седанка и в Академгородке в 2002, 2003 и 2004 гг. не имеют определенного направления. При этом в сборах 2003 г. различия между выбор ками из наиболее удаленных друг от друга точек (ст. Угольная – 2-я речка) по частоте фенотипа succinea меньше, чем между выборками из наиболее близких точек сборов (ст. Седанка – Академгородок), различия между которыми макси мальны. В динамике частот других типов элитр географические закономерно сти также не обнаруживаются. Проверка достоверности различий между вы борками за каждый год показала, что статистически достоверно различаются между собой только выборки 1995 г. (Академгородок – Ботанический сад) – 2=13,9267, p=0,0009, собранные с трехнедельным интервалом. Эти различия могут объясняться не столько микрогеографической изменчивостью, сколько возможными различиями в поведении разных морф во время лета на зимовку.
Долговременная изменчивость. При анализе долговременной динамики ве сенние выборки исключены из анализа, а осенние, сделанные в один год в раз ных районах Владивостока, объединены, поскольку их сравнительный анализ не показал наличия микрогеографической изменчивости. Объединены также однородные выборки 1983 г. из Новосибирска (2=0,551447, p=0,7590) и моно морфные (100% axyridis) выборки из Горно-Алтайска (1983, 2005 и 2006 гг.).
Частоты фенотипов в повторных выборках приведены в табл. 3. Здесь же по не которым популяциям (или регионам) приведены соответствующие данные Ф.Г. Добржанского начала прошлого века.
Таблица 3. Долговременная изменчивость рисунка элитр выборка Доли фенотипов рисунка элитр в % год объ Локалитет conspicua spectabilis axyridis succinea сбора ем 1983 653 99,85±0,15 0,15±0, Новосибирск 2006 164 100,00±0, Горно- 1983– 362 100,00±0, Алтайск Алтайские до 4013 99,95±0,04 0,05±0, горы* 1960 74 91,89±3,17 8,11±3, п. Листвянка 1983 248 83,47±2,36 16,53±2, Иркутская 1960– 894 89,04±1,04 10,96±1, область** Иркутская до 73 84,90±4,19 15,10±4, провинция* 1976 1497 3,07±0,45 3,74±0,49 93,19±0, 1979 435 10,80±1,49 13,56±1,64 75,63±2, 1980 371 6,20±1,25 5,93±1,23 87,87±1, 1995 5131 5,71±0,32 6,02±0,33 88,27±0, Владивосток 2002 1852 6,21±0,56 6,59±0,58 87,20±0, 2003 1200 6,18±0,70 7,00±0,74 86,82±0, 2004 945 5,29±0,73 7,62±0,86 0,11±0,11 86,98±1, 1976– 11431 5,68±0,22 6,33±0,23 0,01±0,01 88,03±0, до Владивосток 765 6,80±0,91 6,00±0,86 0,80±0,32 85,60±0, 1974 396 6,31±1,22 8,33±1,39 85,35±1, о. Попова 1980 186 2,69±1,19 4,30±1,49 93,01±1, 1986 2292 4,32±0,42 4,36±0,43 0,04±0,04 91,27±0, *Сборы Ф.Г. Добржанского (1933);
**Объединенная выборка, включающая сборы из Иркут ской области: п. Листвянка (1960,1983 гг.), д. Байкал (1982 г.), Иркутска (1998 г.).
Согласно представленным результатам долговременная изменчивость в популяциях Новосибирска и Алтая отсутствует. Выборки из п. Листвянка 1960– 1983 гг. различаются, но по критерию 2 - не достоверно (2=3,24460, p=0,0717).
Различия между объединенной выборкой из Иркутской области 1960–1998 гг. и данными Ф.Г. Добржанского (1933) по Иркутской провинции также не являют ся достоверными – 2=1,15652, p=0,2822. Наиболее полно долговременная из менчивость проанализирована в популяции Владивостока, из которой сборы делались в течение 7 лет - с 1976 по 2004 гг. Результаты показывают, что вы борки 1976 и 1979 гг. значительно отличаются друг от друга и от всех осталь ных. При этом в 1976 г. по сравнению с основной массой выборок наблюдается относительно повышенная частота фенотипа succinea, а в 1979 г. пониженная.
Доли меланистов меняются в обратном направлении в целом параллельно друг другу. Выборки 1980–2004 гг. по критерию 2 однородны (2 = 6,05050, p=0,6416), в то время как каждая из первых двух достоверно отличается от их общей массы – выборка 1976 г. с 2=37,7529 и 1979 г. – с 2=55,5145, p=0,000 в обоих случаях. Объединенная выборка из Владивостока (1976–2004 гг.) также достоверно отличается от данных Ф.Г. Добржанского – 2 =79,0977, p=0,000.
Однако эти различия определяются отклонением частоты фенотипа axyridis (частный 2 axyridis = 72,2355), а при учете распределения только трех обычных для этой популяции фенотипов – conspicua, spectabilis и succinea – эти выборки оказываются однородными – 2=2,03548, p=0,3614.
Выборки (1974, 1980 и 1986 гг.) с о. Попова также различаются статисти чески достоверно– общий 2 =16,8564, p=0,0021. При этом выборка 1974 г. от личяется от выборок 1980-х гг. гораздо значительнее, чем последние между со бой. Направления динамики отдельных фенотипов, как и в популяции Владиво стока, представляют собой колебания вокруг средних значений.
3.2.1.3. Географическая изменчивость Поскольку закономерной внутрипопуляционной динамики рисунка элитр обнаружено не было, для оценки его географической изменчивости повторные выборки из одних и тех же локалитетов были объединены. Частоты фенотипов сведены в таблицу и в виде круговых диаграмм нанесены на географическую карту, которые даны в тексте диссертации. Там же приведены данные литера туры по тем участкам ареала, из которых нет нашего материала, и рассчитан ные нами величины коэффициентов внутрипопуляционного разнообразия µ и hµ. Эти данные показывают, что все выборки по распределению частот феноти пов элитр можно объединить в четыре группы. Первая из них включает выбор ки из популяций Новосибирска, Кемерово и Алтая, практически мономорфные по фенотипу axyridis, аллель succinea здесь встречаются очень редко, преиму щественно в гетерозиготном состоянии. Вторая группа включает выборки из популяций от Красноярского края до Верхоленска, в ней наблюдается плавное увеличение частоты фенотипа succinea с запада на восток от 0,90±0,90% – в Красноярском крае до 19,50±4,52% – в Верхоленске и соответствующее сниже ние доли фенотипа axyridis. Третья группа образована выборками из Забайка лья – от собранной в 12 км от Байкальска, до Н. Цасучея. Первая из них, с час тотами фенотипов succinea и axyridis по 49,77±3,39%, резко отличается от при байкальских выборок, в которых соответствующие частоты равны 14,60±1,97% и 10,73±1,64% (п. Листвянка) и 85,40±1,97%, 89,27±1,64% (д. Байкал). Здесь же впервые с частотой 0,46% появляется фенотип conspicua. Остальные выборки этой группы показывают в целом однонаправленное с запада на восток сниже ние доли фенотипа axyridis и увеличение частоты фенотипа succinea (Н. Цасу чей) до 22,95% и 73,77% – соответственно. Суммарные частоты фенотипов spectabilis и conspicua в этих выборках достигают уже 5%.
Четвертая группа, переход к которой наблюдается на юге Читинской об ласти (с. Капцегайтуй) включает все выборки из популяций, обитающих вос точнее Читинской области. Для них характерны очень низкие частоты феноти па axyridis и повсеместно высокие – succinea (84,13% – 93,56%), меняющиеся между популяциями без определенного направления, также как и доли феноти пов conspicua и spectabilis, которые у каждого из них варьируют от 3% до 9%, в основном параллельно друг другу. Амплитуды межпопуля п. Широкий ционных колебаний частот с. Пашково Владивосток всех фенотипов, обычных для о. Русский этой группы выборок, не п. Теплоозерск "Бастак" велики и не превышают бухта Троица обнаруженные при анализе Архара о. Попова внутрипопуляционной измен Сихотэ-Алинь чивости в популяциях Влади с. Дубовый ключ "Кедровая падь" востока и о. Попова. Отсут бухта Емор ствие направленной геогра 0 2 4 6 8 10 12 фической динамики между Linkage Distance восточными популяциями хорошо видно также по Рис. 1. Результаты кластерного анализа результатам кластерного ана выборок из восточной группы популяций лиза, представленным на по распределению фенотипов элитр. рис. 1.
3.2.2. Изменчивость элитрального гребня Элитральный гребень – поперечный хитиновый валик, расположенный на нижних концах элитр. Его развитие контролируется одним аутосомным диал лельным геном при полном доминировании. Поскольку факты о нарушении панмиксии по этому признаку не известны, для оценки его популяционной ди намики использовались теоретически рассчитанные частоты рецессивного ал леля r (qr), определяющего в гомозиготе отсутствие элитрального гребня.
Внутрипопуляционная изменчивость. Частоты рецессивных гомозигот (Q(rr)), аллеля r (qr) и результаты проверки достоверности различий между повторными выборками из каждой популяции сведены в табл. 4, по данным которой видно, что достоверными можно признать (на уровне значимости 0,05) только разли чия между выборками из популяции пос. Листвянка (1960 – 1983 гг.), в осталь ных популяциях внутрипопуляционная изменчивость встречаемости элитраль ного гребня не обнаруживается.
Табл. 4. Внутрипопуляционная изменчивость элитрального гребня выборки доля рецессив- доля рецес объем ных гомозигот сивного алеля Локалитет дата выборки p (Qrr) в % (qr) в % 87,36±1, 10–16.10.1983 536 76,31±1, 117 70,94±4,20 84,23±2, Новосибирск 1,80 0, осень 164 73,17±3,46 85,54±2, 26–30.09. 57 70,18±6,06 83,77±3, сентябрь Горно-Алтайск 0,02 0, 19 68,42±10,66 82,72±6, 18.08. 1960 74 68,92±5,38 83,02±3, Листвянка 6,24 0, 1983 249 82,33±2,42 90,74±1, октябрь 2000 83 2,41±1,68 15,52±5, Бастак 0,08 0, май 2001 58 1,72±1,71 13,11±6, 2-ая речка октябрь 2003 204 0,98±0,69 9,90±3, Ботанич. сад 17.10.1995 3995 1,53±0,19 12,37±0, 28.09.1995 1146 0,96±0,29 9,80±1, 4–10.10.2002 1725 1,68±0,31 12,96±1, Владивосток Академгородок 4.10.2003 414 1,93±0,68 13,89±2, 6,54 0, осень 2004 796 1,51±0,43 12,29±1, 10–13.10.2002 130 0,77±0,77 8,77±4, 12.05.2003 130 1,54±1,08 12,41±4, ст. Седанка октябрь 2003 475 0,84±0,42 9,17±2, 11.10.2004 150 1,33±0,94 11,53±4, ст. Угольная 6–8.10.2003 113 2,65±1,51 16,28±4, Географическая изменчивость. В соответствии с результатами анализа внутрипопуляционной динамики элитрального гребня, для оценки его геогра фической изменчивости повторные выборки были объединены, а из популяции п. Листвянка учитывается более поздняя –1983 г. Результаты кластерного ана лиза выборок из разных популяций по встречаемости элитрального гребня, представленые на рис. 2, показывают, что группа восточных популяций (Арха ра – б. Троица) образует кластер с минимальными дистанциями между выбор ками. Различия между составляющими его выборками при уровне значимости =0,01 не достоверны (2 =14,4632, p=0,0436). В этих популяциях Q(rr) и qr ко леблются от 0,8±0,56% и 8,94±3,15% (п. Теплоозерск) до 2,71±0,77% и 16,46±2,35% (б. Троица). Дистанции между выборками из западных популяций (Кемерово – Горно-Алтайск) значительно выше. Однако, статистически досто верно отличаются от остальных только выборки из Новосибирска и Горно Атайска, в которых Q(rr) равны 74,91±1,52% и 69,44±5,27%, а qr - 86,55±0,88% и 83,51±3,15% – соответственно. Выборки из остальных 5-ти популяций этой группы однородны (2=1,95189, p=0,7446), при достоверных различиях для всей группы в целом (2=23,1530, p=0,0007). Q(rr) и qr в этих выборках составляют 80,87±2,12% – 84,93±2,42% и Кемерово 89,93±1,18% – 92,16±1,31% – д. Байкал Иркутск соответственно. Дендрограм п. Листвянка Байкальск ма показывает также, что Новосибирск дистанции между выборками Горно-Алтайск п. Н. Цасучей в каждом из двух кластеров п. Архара Сихотэ-Алинь не зависят от их геогра п. Теплоозерск с. Дубовый ключ фического положения. Вы с. Пашково борка из Н. Цасучея имеет Владивосток зап-к "Бастак" промежуточные между этими бухта Троица двумя группами значения 0 20 40 60 80 100 соответствующих частот: Q(rr) Linkage Distance = 49,18±6,40%, qr = Рис. 2. Результаты кластерного анализа выборок 70,13±4,56%).
по встречаемости элитрального гребня 3.2.3. Изменчивость рисунка пронотума Внутривидовая изменчивость. Анализ рисунка пронотума у 14597 экз.
H. axyridis (27 выборок из 12 локалитетов) позволил выделить 14 дискретных фенотипов, обозначенных на рис. 3 арабскими цифрами. Римскими цифрами обозначены полученные в результате объединения некоторых фенотипов кате гории, которые использованы для оценки внутрипопуляционных коэффициен тов сопряженности рисунка пронотума с фенотипом элитр.
Различия между 2-м и 3-м, 11-м и 12-м, и 13-м и 14-м фенотипами в зна чительной степени количественные и могут трактоваться как модификацион Рис. 3. Дискретные фенотипы рисунка пронотума.
ные. Переходы между остальными фенотипами значительно более дискретны, особи с промежуточным характером рисунка практически не встречаются.
Сопряженность рисунка пронотума с фенотипом элитр. Высокая со пряженность изменчивости рисунка пронотума с рисунком элитр была обнару жена еще Ф.Г. Добржанским, проанализировавшим небольшой по объему ма териал и использовавшим для определения степени корреляции коэффициент Пирсона. Нами предпринято аналогичное исследование на более массовом ма териале и с использованием более адекватного показателя корреляции качест венных признаков – коэффициента сопряженности V (Крамера).
Анализ сопряженности рисунка пронотума и рисунка элитр показал на личие высокозначимой корреляции этих признаков с показателем степени со пряженности V (Крамера)=0,5521±0,0047 при p0,01. Также показатели V (Крамера) были оценены отдельно только среди меланистов (3 категории фено типа элитр: conspicua, spectabilis, axyridis) и для всей выборки, при объединении меланистов в один класс (т.е. для 2-х категорий фенотипа элитр: меланисты и succinea). Они равны соответственно 0,1307±0,0127и 0,9425± 0,0081, при p0,01 в обоих случаях. Данные по распределению типов рисунка пронотума среди жуков с разными фенотипами элитр, которые представлены на рис. 4, по казывают, что наиболее обычные для всех меланистов более меланизированные типы рисунков пронотума (2 – 5), у жуков фенотипа succinea - являются самы ми редкими. Фенотипы 10 – 14 встречаются только у жуков succinea, а самый обычный для этого фенотипа элитр – 9-ый тип рисунка, у меланистов обнару жен с очень низкой частотой, только у жуков фенотипа axyridis. Типы проноту ма 6–8 также являются редкими, хотя у жуков с элитрами succinea встречаются чаще, чем у меланистов.
Половой диморфизм рисунка пронотума. Анализ сопряженности ри сунка пронотума с полом показывает наличие высокозначимой (p=0,0000) кор реляции, хотя степень ее не очень велика (V-Крамера=0,4509). Данные по встречаемости фенотипов рисунка пронотума среди особей разного пола и с разными фенотипами элитр представлены в виде соответствующих гистограмм на рис. 4. Там же указаны соответствующие коэффициенты популяционного разнообразия µ и hµ, характеризующие степень и структуру разнообразия ри сунка пронотума для каждого фенотипа элитр и одновременно для каждого по ла. По гистограмме видно, что независимо от фенотипа элитр у самок частоты относительно более меланизированных типов рисунка пронотума (с 1-го по 9 ый) выше, чем у самцов, а частоты менее меланизированных (с 10-го по 14-й) ниже. При этом величина коэффициента сопряжености рисунка пронотума с полом для жуков с элитрами фенотипа succinea равна 0,43±0,01, conspicua – 0,53±0,04, spectabilis – 0,56±0,04 и axyridis – 0,60±0,02. В то же время коэффи циент сопряженности рисунка пронотума с фенотипом элитр для жуков разного пола практически идентичен и составляет 0,55±0,01 – у самок, 0,57±0,01 – у самцов при анализе по четырем основным фенотипам элитр, и 0,96±0,01 – у самцов, 0,94±0,01 – у самок при объединении всех меланистов в один класс.
Рис. 4. Сопряженность рисунка пронотума с фенотипом элитр и с полом.
Внутрипопуляционная динамика рисунка пронотума изучалось в по вторных выборках из Новосибирска и Владивостока. Выборки из Новосибирска 1983 г. и 2006 г., в которых присутствуют только меланисты, достоверно разли чаются между собой (2=84,7124, p=0,000). В сборе 2006 г. с частотой более 3% появляется 1-ый тип рисунка пронотума, частота 2-го типа возрастает почти вдвое (по сравнению с 1983 г.), а частоты 3-го – 5-го типов резко уменьшаются и выравниваются между собой. В целом распределение фенотипов пронотума в выборке 2006 года становиться более близким к таковому в выборке мелани стов из Иркутска 1998 г.
Кластерный анализ выборок меланистов из Владивостока не выявил ка ких-либо закономерностей. Напротив, результаты кластерного анализа выборок жуков с элитрами succinea, представленные на рис. 5, показывают, что дистан ции между выборками и их объединение в кластеры не зависят от точки, но со ответствуют датам сборов.
Так, различия между шестью ст.Угольная, окт.2003 осенними выборками 2002 и 2-ая речка, окт. 2003 г.г. из 4-х различных ст.Седанка, окт. точек города, не достоверны ст.Седанка, окт. – 2=80,0097, p=0,0998. От Акад. гор-к, окт. них достоверно отличаются Акад. гор-к, окт. обе выборки 1995 г.
Академ.гор-к, сент. (p=0,000) и еще значитель Бот.сад.окт. нее – весенняя выборка ст.Седанка, май 2003 г. Выборки 2004 г., ст.Седанка, окт. различающиеся между собой Акад. гор-к, осень не достоверно (2=23,1429, 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 p=0,0169), показывают Linkage Distance максимальные отличия от Рис. 5. Результаты кластерного анализа выборок всех остальных. Существен из Владивостока по частотам фенотипов ное отличие от основного пронотума у жуков с элитрами succinea. кластера 2002–2003 гг.
майской выборки 2003 г.
позволяет предполагать наличие сезонной изменчивости. Однако, сравнение по критерию 2 трех последовательных выборок из этой точки сбора: 10– 13.10.2002;
12.05.2003;
6,7.10.2003 (ст. Седанка) не показывает статистически достоверных различий: общий 2 =35,5528, p=0,0607;
для пары выборок осень 2002 – весна 2003 2=16,6851, p=0,1176;
а для пары весна 2003 – осень 2=16,2588, p=0,1319.
Географическая изменчивость. Для анализа макрогеографической из менчивости повторные выборки из Новосибирска, Владивостока, п. Листвянка и заповедника "Бастак" были объединены. Данные о частотном распределении типов рисунка пронотума в исследованных выборках сведены в таблицу, кото рая приводится в тексте диссертации. Результаты кластерного анализа мелани стов, как и при исследовании внутрипопуляционной динамики, не выявили гео графических закономерностей. Напротив, выборки жуков фенотипа succinea (рис. 6) объединяются строго в соответствии с географическим положением со ответствующих популяций, образуя два хорошо различающихся кластера. Один из них включает все выборки из популяций западной части ареала (от Иркутска до Н. Цасучея), а другой – из восточной (от заповедника "Бастак" до бухты Троица). Различия между выборками в каждом кластере по критерию 2 досто верны – p=0,000 в обоих случаях.
Структура распределения фено Иркутск типов пронотума резко разли Н. Цасучей д. Байкал чается между этими кластерами.
п. Листвянка В выборках из западных по Байкальск пуляций (Иркутск – Байкальск) зап-к "Бастак" Сих.-Алинь.зап-к частоты более меланизирован с. Дубовый ключ ных фенотипов (1 - 7 (рис. 3)) в Владивосток 2–3 раза выше, чем в восточной б. Троица группе, а фенотипы 10 и 11– п. Теплоозерск отсутствуют, в то время как в 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0, восточных популяциях они Linkage Distance встречаются со значительными Рис. 6. Результаты кластерного анализа географической изменчивости рисунка частотами, варьирующими меж пронотума у жуков с элитрами succinea ду популяциями хаотично. Вы борка из Н. Цасучея по частотам одних фенотипов (2, 3, 4, 5, 12, 14) близка к "западной" группе, а по частотам других - занимает промежуточ ное положение или приближается к "восточной" группе. Частота фенотипа меняется между всеми выборками без определенного направления от 28,44±4,32% (Байкальск) до 54,72±4,83% (заповедник Бастак").
Динамика общепопуляционных характеристик. Анализ географиче ской изменчивости коэффициентов внутрипопуляционного разнообразия ри сунка пронотума показал, что по соотношению µ (4,4) и hµ (0,12) у меланистов максимальный уровень разнообразия наблюдается в популяции Байкальска, а у жуков с элитрами фенотипа succinea - в популяциях Байкальска и Н. Цасучея (со значениями µ – 8,3 и 8,29 и hµ – 0,17 и 0,25 – соответственно). Величина V Крамера рисунка пронотума и рисунка элитр в западных популяциях меняется от 0,65±0,07% (Байкальск), до 0,75±0,07% (Иркутск), а в восточных – от 0,82±0,02% (Сихотэ-Алиньский зап-к) до 0,98±0,08% (зап-к "Бастак"). При этом для коэффициента сопряженности характерна высокая внутрипопуляционная стабильность – в повторных выборках из Владивостока его изменения от 0,91±0,02 до 0,97±0,05 укладываются в величины статистических ошибок.
3.2.4.Изменчивость последовательности нуклеотидов участка гена COI мтДНК Изменчивость последовательности нуклеотидов участка гена COI мтДНК длиной 648 п.н. исследовалась в трех популяциях H. axyridis – Горно-Алтайска, Владивостока и Денвера (США). Всего нами было обнаружено 10 гаплотипов, результаты статистического анализа сходства которых представлены на рис. 8, на котором видны два хорошо различимых кластера. Один из них образован последовательностями, встречающимися только в Горно-Алтайске, второй - по следовательностями из всех трех популяций. При этом шесть гаплотипов встре чаются только в Горно-Алтайске, один - только во Владивостоке. Общим для всех трех выборок является лишь 1 гаплотип.
Рис. 8. Дендрограмма сходства нуклеотидных последовательностей участка гена COI мтДНК Частоты гаплотипов в выборках сведены в табл. 5, данные которой пока зывают, что популяция Горно-Алтайска значительно отличается от популяций Владивостока и Денвера, очень сходных между собой, несмотря на наличие во Владивостоке 1 уникальной последовательности.
Таблица 5. Распределение в популяциях обнаруженных гаплотипов последовательности нуклеотидов участка гена COI мтДНК Доли гаплотипов в % выборки объем Популяция G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 G Горно 27 33,33 48,15 3,70 3,70 3,70 3,70 03, Алтайск Владивосток 22 81,82 4,55 9,09 4, Денвер 25 92,00 4,00 4, Глава 4. Обсуждение результатов 4.1. Границы ареала и особенности распространения H. axyridis Нанесенные на карту точки находок позволяют описать границы ареала ви да и сделать выводы о его структуре. Северная граница ареала H. axyridis про ходит, по-видимому, на уровне 57°–58° с. ш., повторяя границы зоны вечной мерзлоты. Наличие более северной точки находки (Якутск), очевидно, связано с сокращенной записью на коллекционной этикетке, а не с обитанием здесь вида.
Крайняя северо-западная точка находки (Тюкалинск) также удалена от основ ной массы находок, однако в отличие от Якутска, возможность обитания здесь вида не вызывает сомнений, так как связь с Алтайскими популяциями может осуществляться по р. Иртыш, по среднему течению которой, очевидно, прохо дит западная граница ареала. Исходя из экологических особенностей H.
axyridis, понятно, что на северо-западе ареал ограничен заболоченными участ ками Северо-западной равнины. Крайняя юго-западная точка находки в Талды Курганской области, также удалена от основной массы находок, но не изолиро вана от основного ареала, поскольку из данных литературы известно, что по интразональным биотопам H. axyridis проникает до верховьев р. Аягуз. Далее граница ареала по верховьям Иртыша в Монгольском Алтае поворачивает на северо-восток и, очевидно, повторяет границы пустынных и полупустынных районов Монголии, поворачивая затем на юг уже в северо-западных областях Китая, где доходит вдоль Тибетского горного массива до провинции Szechwan.
Дальнейшее распространение вида на юге Китая ограничивается тропическим климатом, и граница его ареала вновь поворачивает на восток, доходя до побе режья и захватывая Корею и прибрежные острова, включая о. Тайвань. Восточ ная граница от Шантарских о-вов проходит по дальневосточному побережью, включая о. Сахалин, о. Кунашир и Японские о-ва. В целом полученная нами картина находок H. axyridis, дополненная данными литературы, позволяет ут верждать, что азиатский (исходный) ареал этого вида, обладая широким разно образием экологических условий, является непрерывным.
4.2. Изменчивость рисунка пронотума Дискретный характер различий между большинством выделенных фено типов пронотума, сочетающийся с мультимодальным распределением их частот у жуков с элитрами фенотипа succinea, позволяет предполагать наличие генети ческой детерминации изменчивости этого признака. При этом характер сопря женности рисунка пронотума с рисунком элитр позволяют предположить, что ген, детерминирующий рисунок элитр, проявляя плейотропное действие, явля ется модификатором гена, определяющего развитие рисунка пронотума.
Обнаруженный нами половой диморфизм рисунка пронотума сводится к количественным изменениям в распределении фенотипов пронотума у разных полов, причем не зависимо от фенотипов элитр. Это означает, что половой ди морфизм у H. axyridis по рисунку пронотума имеет не генотипический, а моди фикационный характер.
4.3. Внутрипопуляционная изменчивость H. axyridis по комплексу морфологических признаков Долговременная (многолетняя) динамика. Обнаруженные нами в по пуляциях Владивостока и о. Попова статистически достоверные изменения час тот фенотипов элитр и фенотипов пронотума не имеют определенного направ ления, а представляют собой "краткосрочные пульсации". Снижение частоты фенотипа axyridis с 0,8% (в сборах Ф.Г. Добржанского) до 0,01% (в наших) в популяции Владивостока, безусловно, связано с относительным повышением частот редких морф в энтомологических коллекциях, куда они, привлекая пре имущественное внимание натуралистов, попадают существенно чаще, чем встречаются в природе. В остальных популяциях долговременная изменчивость рисунка элитр отсутствует. Эти результаты говорят о высокой стабильности данного признака во времени и "жесткости" (с позиций концепции "жесткого и гибкого полиморфизма") этой полиморфной системы по отношению к долго срочным изменениям среды при одновременной "гибкости" по отношению к локальным (краткосрочным) колебаниям экологических условий. Существен ные изменения встречаемости элитрального гребня в популяции п. Листвянка и распределения рисунка пронотума в популяции Новосибирска, которые приве ли к снижению различий по этим признакам между названными популяциями и соседними, очевидно связаны с увеличением уровня миграции и снижением изоляции между географически близкими популяциями.
Сезонная изменчивость. Полученные данные по сезонной изменчивости рисунка элитр столь же противоречивы, как данные литературы. В одних попу ляциях она обнаруживается, в других нет. Там, где сезонная динамика обнару жена, направления ее могут быть диаметрально противоположны в разных по пуляциях. Аналогичная ситуация наблюдается и у A. bipunctata. Такая противо речивость не позволяет рассматривать селективную смертность разных фено типов в различные сезоны как универсальный механизм поддержания устойчи вого полиморфизма и заставляет искать иные объяснения сезонной динамики этого признака, там, где она есть. Одно из таких возможных объяснений может дать концепция "множественных ниш", базирующаяся на данных о микроста циальной изменчивости. Действительно, весенние сборы обычно проводятся в апреле – мае, когда значительная часть жуков успела приступить к кормлению, а иногда и к размножению. Соответственно, на распределение частот морф в таких выборках может повлиять наличие микростациальной изменчивости, описанной для некоторых популяций H. axyridis, либо различия в сроках разле та с мест зимовки, связанные, например, с более быстрым прогревом мелани стов. В то же время, все осенние сборы делались во время лета коровок на зи мовку, когда они покинули места колоний, и эти выборки представляют собой совокупную популяцию. Этой же особенностью осенних сборов можно объяс нить и отсутствие микрогеографической изменчивости, обнаруженное нами по всем трем признакам в г. Владивостоке.
4.4. Географическая изменчивость H. axyridis.
Внутривидовая структура и исторические причины ее формирования.
Географическая изменчивость полиморфных признаков. Результаты анализа географической изменчивости H. axyridis, дополненные данными лите ратуры, показывают, что в пределах видового ареала есть две географически удаленные друг от друга зоны, популяции которой резко различаются между собой по комплексу признаков. Межпопуляционные различия внутри каждой из них минимальны и не имеют определенного географического направления.
Первая из этих зон, популяции которой практически мономорфны по рисунку элитр, представленным фенотипом axyridis, простирается от западной границы ареала до Красноярского края – в долготном направлении, и от Новосибирской области до Северо-восточного Казахстана и Алтая – в широтном направлении.
Частота рецессивного аллеля r, определяющего отсутствие элитрального греб ня, здесь составляет 84–90%. Вторая зона занимает восточную часть ареала от Читинской области до Дальневосточного побережья, включая Северо-вос точные области Китая. Фенотип axyridis встречается здесь очень редко, succinea - с частотой 85–94%, а меланисты – conspicua и spectabilis – с суммарной часто той 6–15%. Частота аллеля r в популяциях этой зоны составляет 8–19%. По рас пределению фенотипов пронотума различия между популяциями этой зоны не значительны и не имеют географического направления. Уровень различий ме жду популяциями западной и восточной зон "межпопуляционной стабильно сти" по обоим морфологическим признакам с известной генетической детерми нацией по 75% критерию, принятому в классической систематике, соответству ет подвидовому. Этот вывод полностью подтверждается данными о географи ческой изменчивости молекулярно-генетического маркера. Высокое сходство выборок из Владивостока и Денвера (инвазивная популяция, имеющая китай ское происхождение) говорит об отсутствии заметной изменчивости между по пуляциями восточной зоны ареала. С другой стороны, наличие только одного гаплотипа, общего для всех трех выборок, 6-ти гаплотипов, встречающихся только в Горно-Алтайске, и 3-х - только в выборках из восточных популяций говорит не только о значительном различии восточных и западных групп попу ляций, но и об их длительном изолированном друг от друга развитии.
Наряду с двумя зонами "межпопуляционной стабильности", существуют две зоны клинальной изменчивости. Первая из них занимает территорию от Прибайкалья (Иркутская обл.) до центральной части Читинской области вклю чительно. Изменение фенооблика популяций по рисунку элитр в этой зоне име ет определенное географическое направление – частота фенотипа succinea ме няется от 6% – в Иркутске, до 74% – в Н. Цасучее, а фенотипа axyridis, соответ ственно, от 94% до 23%. При этом в районе оз. Байкал происходит скачкооб разное изменение частот этих фенотипов. Появляются в Забайкальских популя циях с увеличивающейся с запада на восток частотой фенотипы conspicua и spectabilis. На юго-востоке Читинской области, между п. Н. Цасучей и с. Капце гайтуй, вновь наблюдается резкое изменение фенооблика популяций по рисун ку элитр. Динамика встречаемости элитрального гребня в этой зоне ареала не сколько иная. Байкальские популяции по этому признаку не различаются меж ду собой. Однако, в выборке из Н. Цасучея частота аллеля r, достигая 70%, имеет значение, промежуточное между характерными для западных и восточ ных популяций. Поскольку в Амурской части видового ареала никаких физико географических изолирующих барьеров нет, а наличие элитрального гребня по общепринятому мнению является нейтральным признаком, можно предполо жить, что и в этой части ареала изменение частоты аллеля r происходит кли нально. Анализ географической изменчивости рисунка пронотума также пока зал, что выборка из Н. Цасучея занимает промежуточное положение между байкальскими популяциями и популяциями восточной зоны, отличаясь от пер вых в меньшей степени, чем от вторых. При этом в байкальских популяциях скачкообразных изменений в распределении фенотипов не происходит, анало гично изменчивости элитрального гребня и в отличие от изменчивости рисунка элитр. Такая стабильность двух признаков в популяциях на противоположных берегах оз. Байкал, говорит об отсутствии географической изоляции между ни ми. Наличие резких переходов в фенооблике популяций по рисунку элитр мо жет быть связано не только с макрогеографической изменчивостью, но и с ландшафтной или микростациальной, поскольку в этих же местах происходит достаточно резкая смена характера растительности.
Вторая зона клинальной изменчивости рисунка элитр и элитрального гре бня находится на Японских островах, где в направлении с севера на юг по дан ным литературы частота фенотипа succinea уменьшается от 43% до 2%, а доля фенотипа conspicua увеличивается от 34% до 84%. Частота аллеля r увеличива ется в том же направлении от 7% на о. Хоккайдо до 94% на юге Японии. При этом отчетливый клинальный характер изменчивости этого признака наблюда ется южнее Сангарского пролива, разделяющего острова Хоккайдо и Хонсю, между которыми qr меняется скачкообразно (от 7% до 71%).
Ранее наличие зон клинальной изменчивости рисунка элитр у H. axyridis связывали с адаптивностью этого признака, считая, она наблюдается на боль шей части ареала. Однако из наших данных следует, что это не так. Экологиче ские условия в пределах зон "стабильности", особенно восточной, меняются не меньше, чем в зонах клинальной изменчивости. В то же время, характер макро географической изменчивости элитрального гребня и рисунка элитр в целом совпадает. Маловероятно, чтобы два независимых признака показывали одно направленную изменчивость, адаптируясь к одинаковым изменениям среды. По крайней мере, характер внутрипопуляционной изменчивости этих признаков не совпадает. С другой стороны, по показателям µ и hµ в Забайкальских популя циях наблюдается повышение общего уровня внутрипопуляционного разнооб разия по обоим признакам и значимое понижение (по сравнению с западной и восточной группами популяций) коэффициента сопряженности (V-Крамера) рисунка пронотума и рисунка элитр. Эти факты говорят о повышенной генети ческой гетерогенности популяций этой зоны ареала, которая может быть харак терна для популяций, обитающих в "центрах происхождения" вида, в опти мальных для вида экологических условиях или в зонах вторичной гибридиза ции. Экологические условия Центральной Сибири не соответствуют экологиче скому оптимуму для H. axyridis. С другой стороны, если бы в Забайкалье нахо дился "центр происхождения" и расселения вида, как предполагалось ранее, можно было бы ожидать более протяженных участков ареала с клинальной из менчивостью и менее протяженных зон "межпопуляционной стабильности".
Мы же наблюдаем противоположную картину, причем по трем признакам. Это убеждает в том, что Сибирская зона клинальной изменчивости является зоной вторичной гибридизации длительно изолированных ранее групп популяций.
Нет никаких оснований отрицать роль вторичной гибридизации в формирова нии зоны клинальной изменчивости и на Японских островах.
История формирования современной внутривидовой структуры.
Общая картина географической изменчивости по комплексу проанализирован ных признаков говорит о том, что в эволюционном прошлом вида единый ареал распадался на две части, полностью изолированные друг от друга в течение длительного времени, после которого единство ареала было восстановлено.
Очевидно, что подобные изменения ареала хищного вида, основная добы ча которого - паразиты растений, должны были происходить вслед за резкими изменениями растительных ландшафтов. Кроме того, заселение видом Япон ских островов могло произойти только при нарушении их изоляции от матери ка. Наиболее близким к современности геологическим периодом, когда проис ходили резкие колебания растительности и одновременно береговой линии, яв ляется плейстоцен, во время которого происходили резкие колебания климата, связанные с чередованием ледниковых периодов и межледниковий. В интере сующем нас районе в наиболее теплые периоды межледниковий смешанные ле са с участками лесостепей, где могла обитать H. axyridis, распространялись зна чительно севернее и южнее своих современных границ. Во времена первых плейстоценовых оледенений во всех горных системах Восточной Азии были развиты мощные ледники, вокруг которых происходила почти полная деграда ция лесной растительности, замещавшейся редколесьями и заболоченными тун драми, с которыми соседствовали холодные степи. Очевидно, что в подобных условиях H. axyridis не могла сохраниться ни в этих, ни в более южных облас тях, даже в виде небольшого изолята. В то же время, в Дальневосточном регио не, где благодаря приморскому климату в течение всего плейстоцена сохраня лась лесная зона, в которой происходила лишь смена конкретных формаций.
Очевидно, именно здесь, а также в северо-восточных и восточных районах со временного Китая сохранялись условия, в которых такой вид как H. axyridis мог переживать периоды максимального похолодания. Во время последнего ледни кового периода, с максимумом похолодания - 20-18 тыс. л.н., горное оледене ние в Восточной Азии было значительно менее мощным, чем все предыдущие.
Деградации лесной растительности, даже в своей максимальной фазе, не была полной. В том числе, на Алтае установлено наличие достаточно крупных ост ровов типичных лесных формаций, при сплошном распространении в более восточных районах перигляциальных степей, не пригодных для обитания H. axyridis. Очевидно, именно во время последнего плейстоценового оледене ния этот вид мог сохраниться как в дальневосточном регионе, так и на Алтае. С наступлением потепления в голоцене расширение видового ареала происходило уже из двух рефугиумов с образованием в Сибири зоны вторичной интеграции.
В то же время, все периоды оледенений сопровождались соединением Япон ских островов с материком, что могло привести к образованию соответствую щей зоны клинальной изменчивости за счет их повторного заселения.
Выводы:
1. Современный ареал Harmonia axyridis в материковой части Азии, обладая широким разнообразием эколого-климатических и физико-географических условий, является непрерывным.
2. Изменчивость рисунка пронотума носит дискретный характер и имеет само стоятельную (от рисунка элитр) генетическую детерминацию. Впервые обна руженный у кокцинеллид половой диморфизм рисунка пронотума носит мо дификационный характер.
3. Внутрипопуляционный полиморфизм анализируемых морфологических при знаков имеет устойчивый долговременный характер.
4. По комплексу полиморфных признаков в пределах ареала вида можно выде лить 2 обширные зоны - "западную" и "восточную", с отсутствием заметной межпопуляционной изменчивости в каждой из них, соединенные между со бой зоной клинальной изменчивости. Уровень различий между "западными" и "восточными" популяциями соответствует подвидовому.
5. Данные по полиморфизму нуклеотидной последовательности участка гена COI мтДНК свидетельствуют о длительном изолированном развитии "запад ной" и "восточной" групп популяций.
6. Забайкальская зона клинальной изменчивости Harmonia axyridis является ре зультатом вторичной гибридизации "западной" и "восточной" групп популя ций, обособившихся в эпоху последнего плейстоценового оледенения в ре зультате географической изоляции, и восстановивших единство видового ареала в период потепления в голоцене.
Публикации по теме диссертации:
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Воронцов Н.Н., Блехман А.В. Феногеография и геногеография окраски надкрылий в популяциях восточноазиатской коровки Harmonia (Lais) axyridis Pall. (Coleoptera, Coccinellidae) //ДАН СССР. 1986. Т.286. № 1. С. 205- 2. Блехман А.В. // Изменчивость рисунка пронотума у божьей коровки Harmonia axyridis Pallas (Coleoptera, Coccinellidae) // Экологическая генетика.
2007. Т. 5. № 2. С. 25-36.
3. Блехман А.В. Популяционная изменчивость встречаемости элитраль ного гребня у божьей коровки Harmonia axyridis Pallas // Генетика. 2008. Т. 44.
№ 11. С. С. 1553-1557.
Статьи в других изданиях:
4. Воронцов Н.Н., Блехман А.В. Ареал и внутривидовая структура божьей коровки Harmonia axyridis Pall., 1773 (Coleoptera, Coccinellidae). // В сб.: "Эво люция, экология, биоразнообразие. Материалы конференции памяти Николая Николаевича Воронцова (1934-2000), Москва, 26-27 декабря 2000 г." М.: Издат.
отдел УНЦ ДО, 2001. С. 150-156.
5. Захаров И.А., Блехман А.В. Популяционная генетика кокцинеллид:
старые и новые проблемы. // В сб.: "Эволюция, экология, биоразнообразие. Ма териалы конференции памяти Николая Николаевича Воронцова (1934-2000), Москва, 26-27 декабря 2000 г." М.: Издат. отдел УНЦ ДО, 2001. С. 134-149.
Тезисы докладов российских конференций:
6. Блехман А.В. Изучение генетического полиморфизма окраски элитр у Harmonia axyridis Pall. (Coleoptera, Coccinellidae) с использованием реальных частот генотипов// Материалы VII съезда ВОГиС, Саратов, 20-25 декабря г.// Генетика.- 1994, Т.30: приложение. С. 16-17.
7. Блехман А.В. Исследование географической изменчивости Harmonia axyridis Pallas (Coleoptera, Coccinellidae) по комплексу морфологических при знаков // В сб.: Современные проблемы биологической эволюции: материалы конференции. К 100-летию Государственного Дарвиновского музея. 17-20 сен тября 2007, г. Москва. М.: Изд-во ГДМ. 2007. С. 103- 105.