Структура и динамика периферийной популяции обыкновен ного щитомордника (gloydius halys (pallas,
На правах рукописи
СИМОНОВ Евгений Петрович СТРУКТУРА И ДИНАМИКА ПЕРИФЕРИЙНОЙ ПОПУЛЯЦИИ ОБЫКНОВЕН НОГО ЩИТОМОРДНИКА (GLOYDIUS HALYS (PALLAS, 1776)) 03.02.04 – зоология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Новосибирск – 2012
Работа выполнена в лаборатории экологии сообществ позвоночных животных Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института систематики и экологии животных СО РАН
Научный консультант: доктор биологических наук, Литвинов Юрий Нарциссович (Институт систематики и экологии животных СО РАН, г. Новосибирск, заместитель директора по научной работе) Научный консультант: кандидат биологических наук, Ермаков Олег Александрович (Пензенский ГУ, г. Пенза, доцент)
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, проф., Графодатский Александр Сергеевич (Институт молекулярной и клеточной биологии СО РАН, г. Новосибирск, заместитель директора по научной работе) кандидат биологических наук, Литвинчук Спартак Николаевич (Институт цитологии РАН, г. Санкт-Петербург, с.н.с.) Ведущее учреждение: Национальный исследовательский Томский государственный университет
Защита состоится 14 декабря в 14 часов на заседании диссертацион ного совета Д 003.033.01 при Институте систематики и экологии жи вотных СО РАН по адресу: 630091, г. Новосибирск, ул. Фрунзе, 11.
Факс: (383)2170-09-73, e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систе матики и экологии животных СО РАН.
Автореферат разослан _ ноября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Л.В. Петрожицкая
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Одна из фундаментальных задач современной эволюционной биологии и популяционной экологии изучение популяционной структуры вида [Яблоков, 1987]. Особый интерес в этом плане представляет исследование периферических по пуляций и популяций, занимающих естественно фрагментированные местообитания, а также выяснение механизмов, поддерживающих их длительное существование. Периферические популяции животных часто могут иметь эколого-морфологические особенности, отличные от таковых в популяциях из центральных частей ареала, что связано с существованием вида в неоптимальных абиотических и биотических условиях и формированием в связи с этим небольших по размерам и численности локальных популяций. Это, в свою очередь, ведёт к ха рактерному изменению внутри- и межпопуляционной изменчивости [Ивантер, 2007].
Структура и динамика популяций пресмыкающихся, а в особен ности змей, изучены весьма слабо. Проведение таких исследований, в случае со змеями, осложняется отсутствием у большинства видов чёткой популяционной структуры, низкой плотностью поселений и скрытным образом жизни [Sun et al. 2001]. Популяция обыкновенного щитомордника (Gloydius hays (Pallas, 1776)) на территории Новоси бирской области представляет собой изолят на северной границе ареала данного вида. Змеи обладают здесь высокой плотностью на небольшой территории и отличаются относительной простотой для визуальных учётов и отловов для изучения морфологии, экологии и популяционной генетики. В связи с этим данная популяция может выступать в качестве модельного объекта, представляющего собой редкую возможность для детального изучения популяционной эколо гии змей.
Основными показателями, отражающими структуру популяции, являются её численность и распределение особей в пространстве, со отношение групп по полу и возрасту, их морфологические и генети ческие особенности. Что, в свою очередь, предполагает необходи мость комплексного подхода при выявлении структуры популяции, основанного на изучении экологии, анализе морфологической и гене тической изменчивости вида.
Цель работы - выявление характера морфологической и гене тической дифференциации и степени связи между локальными попу ляциями щитомордника обыкновенного в естественно фрагментиро ванных местообитаниях на северной периферии ареала (Новосибир ская область).
Задачи:
1. выявить особенности биотопического распределения и про странственную структуру местообитаний щитомордника обыкновен ного в исследуемой популяции;
2. на основании анализа изменчивости морфологических призна ков выявить степень отличий между локальными популяциями;
3. изучить и сравнить половозрастную структуру и основные де мографические показатели вида в разных локальных популяциях;
4. определить уровень генетического разнообразия и степень гене тической дифференциации локальных популяций;
5. оценить степень обмена особями (скорость миграции) между локальными популяциями через интенсивность и направление потока генов между ними.
Научная новизна. Впервые исследованы особенности структу ры и динамики популяции змей в условиях юга Западной Сибири с использованием комплексного подхода, включающего морфологиче ские, экологические и генетические исследования. Впервые для обыкновенного щитомордника выявлены уровни миграции между ло кальными популяциями, показано преимущественно расселение вида за счет перемещений самцов. Установлено существование двух форм обыкновенного щитомордника, как минимум подвидового ранга, на юге Западной Сибири.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные в ходе исследования результаты вносят вклад в понимание структуры и динамики популяций пресмыкающихся и в познание механизмов, поддерживающих долговременное существование локальных попу ляций в условиях естественно фрагментированных ландшафтов.
Важное практическое значение работы заключается в получении дан ных, способствующих разработке научно-обоснованных методов со хранения вида, редкого на территории региона, так как знание попу ляционной структуры, динамики локальных популяций и связи меж ду ними, является необходимым для планирования и реализации эф фективных мер охраны.
Апробация работы. Результаты исследования представлены в виде устных и стендовых докладов на Европейской герпетологиче ском конгрессе 2011 (Люксембург, 2011), Международной студенче ской конференции по природоохранной биологии (Великобритания, Кембридж, 2011), Пятом Азиатском герпетологическом конгрессе (Китай, Чэнду, 2012), Пятом съезде Герпетологического общества им.
Никольского (Беларусь, Минск, 2012), а также на межлабораторном семинаре Института Фармации и Молекулярной Биотехнологии Хай дельбергского Университета (Германия) и на межлабораторном се минаре ИСиЭЖ СО РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 на учных работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертаций на соис кание ученой степени кандидата наук.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 117 страницах машинописного текста;
состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и списка литературы. Работа иллюстрирована 17 рисунками и 24 таблицами. Список литературы включает 200 ра бот, из которых 139 на иностранном языке.
Благодарности. Работа выполнена под руководством д.б.н.
Ю.Н. Литвинова, которому автор выражает искреннюю благодар ность за поддержку на всех этапах работы, к.б.н., доценту Ермакову О.А. (Пензенский ГУ) за научное консультирование. Автор благода рит д.б.н., проф. Ю.С. Равкина, к.б.н. Е.И. Зуйкову, к.б.н. Семенова Г.А. за ценные замечания, сделанные при работе с рукописью;
к.б.н.
В.К. Зинченко, И.С. Долгова, А.П. Симонова, Д.Р. Хайдарова за по мощь в полевых исследованиях и сборе материала. Особую призна тельность хотелось бы выразить проф. М. Винку (Хайдельбергский Университет, Германия) за предоставленную возможность проведе ния части лабораторных исследований на базе Института фармации и молекулярной биотехнологии и обсуждение результатов. Отдельная благодарность супруге автора Д.В. Симоновой за проявленное пони мание и поддержку.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ПОПУЛЯЦИИ ОБЫКНОВЕННОГО ЩИТОМОРДНИКА (GLOYDIUS HALYS) КАК МОДЕЛЬНЫЙ ОБЪЕКТ ПОПУЛЯЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В первой части главы 1 в ретроспективе рассмотрены современ ные представления о внутренней структуре и динамике популяций животных. Во второй части дана всесторонняя характеристика изу чаемого вида – обыкновенного или Палласова щитомордника Gloy dius hays (Pallas, 1776), освещены вопросы таксономии, распростра нения, популяционной экологии и репродуктивной биологии. В третьей части обзора проведен анализ работ, посвященных исследо ваниям популяционной биологии змей. Особое внимание уделено ха рактеристикам данной группы животных, которые необходимо учи тывать при проведении подобных исследований.
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 2.1. Физико-географическая характеристика района исследова ний Полевые исследования в 2007-2011 гг. осуществлялись на тер ритории Маслянинского и Искитимского административных районов Новосибирской области, в долине среднего течения реки Бердь. В данном районе река Бердь пересекает северо-западные отроги Сала ирского кряжа, которое представляет собой холмистое, увалистое низкогорье с высотами 400-450 м над уровнем моря. В местах выхода стойких к разрушению пород образуются останцы, уступы и скалы, что особенно характерно для данного участка реки.
2.2. Картирование пространственной структуры местообитаний В ходе полевых работ при помощи портативного навигатора (GPS) была произведена географическая привязка точек, соответст вующих занимаемым щитомордником биотопам. С использованием программы ArcView 3.2 космические снимки были дешифрированы, используя метод комбинирования визуального и автоматизированно го дешифрования с "обучением". В программе MapInfo 9.5 выделен ные участки скальных местообитаний были наложены на топографи ческую карту местности, с последующим определением их площади.
2.3. Методы изучения морфологической изменчивости Для детального изучения были выбраны три локальные популя ции (рис. 1). Всего было измерено 226 особей обыкновенного щито мордника. В качестве изучаемых признаков использовались традици онные метрические и меристические показатели, позволяющие со поставлять полученные результаты с данными других авторов. Всего проанализировано девять меристических признаков, три метрических и два индекса. Билатеральные признаки, ввиду их склонности к про явлению асимметрии, учитывались с обеих сторон. Для каждого при знака определялось его среднее значение (M), ошибка среднего (m), среднее квадратичное отклонение (SD), коэффициент вариации (CV).
Проверка нормальности распределения переменных осуществлялась при помощи теста Колмогорова-Смирнова, однородность дисперсий проверялась при помощи теста Левена. Для определения достоверно сти отличий между группами использовался параметрический t критерий Стьюдента или непараметрический U-критерий Манна Уитни (Mann-Whitney U Test). С целью выяснения значимости разли чий средних между нашими и литературными данными применялась модификация t-критерия допускающая неравенство дисперсий между выборками. Для всех статистических тестов был установлен уровень значимости 0,05. Статистические расчёты были выполнены с исполь зованием электронных таблиц Excel и пакета статистических про грамм Statistica for Windows 6.0.
Рис. 1. Локальные популяции выбранные для исследования (а) и положение изу чаемой популяции относительно ареала G. halys (b).
2.4. Методы изучения экологии и демографических параметров Активность змей определялась посредством визуальных учётов на трансектах с нефиксированной шириной. Для анализа ассоциаций между возрастными группами щитомордников (взрослые и новорож денные) и учитываемыми переменными (тип местообитания, экспо зиция, время) был использован простой и множественный анализ со ответствий [Greenacre, 1984].
Для оценки абсолютной численности локальных популяций был ис пользован метод мечения и повторных отловов. Присвоение индивидуаль ных меток осуществлялось путём подрезания брюшных щитков [Brown, Parker, 1976]. Мечение и повторные отловы проводились в 2009, 2010 и 2011 годах. Метод Шнабеля [Schnabel, 1938] применялся для расчетов абсолютной численности внутри одного года. Данный метод предпо лагает незначительный приток новых особей в популяцию между пе риодами мечения и отловов (т.е. используется модель «закрытой» по пуляции). При анализе данных собранных за три года использовались метод трехкратных отловов Бейли [Bailey, 1951;
1952;
Коли, 1979] и метод Джолли-Зебера [Jolly, 1965;
1982;
Seber, 1965;
Коли, 1979].
Данные методы пригодны для исследования «открытых» популяций, то есть когда между периодами мечения и отловов происходит при ток или убыль особей за счет миграции, рождаемости и смертности.
Для расчетов использовались электронные таблицы Excel (метод Шнабеля и метод Джолли-Зебера) и оригинальный скрипт написан ный в программной среде Python 3.2 (метод трехкратных отловов Бейли).
2.5. Изучение структуры и динамики популяции при помощи мо лекулярно-генетических методов В качестве образцов тканей для выделения ДНК использованы мазки со слизистого эпителия ротовой полости, фрагменты брюшных щитков и кончики хвостов. Кроме того, были использованы ткани от экземпляров обыкновенного щитомордника, находящихся в коллек ции Института систематики и экологии, животных СО РАН. Выделе ние ДНК осуществляли по стандартной методике фенол хлороформной экстракции с предварительной обработкой протеиназ ной К и SDS [Sambrook et al., 1989].
Для реконструкции филогении и определения разнообразия ми тохондриальных гаплотипов в исследуемой популяции определяли нуклеотидную последовательность фрагмента митохондриального гена НАДН-дегидрогеназы-4 (ND4) длинной 708 пар нуклеотидов (пн), используя праймеры ND4 и tRNA-leu [Arevalo, Davis and Sites, 1994]. Секвенирование проводили на автоматическом секвенаторе ABI 3730 (Applied Biosystems) с применением набора ABI Prism Big Dye Terminator 3.1. Для реконструкции филогенетических отношений использовались метод максимального правдоподобия (ML) [программа MEGA 5.05;
Tamura et al., 2011] и Байесовский анализ [программа MrBayes 3.1.2;
Huelsenbeck and Ronquist, 2001].
Дивергенция между отдельными гаплотипами/гаплогруппами оценивалась при помощи p-дистанций в программе MEGA 5.05.
Восемь микросателлитных локусов было использовано для изу чения внутрипопуляционной генетической структуры. Данные мар керы анализировались при помощи высокоразрешающего электрофо реза в 6% денатурирующем полиакриламидном геле, используя Base Acer Sequencer (Stratagene). Результаты амплификации визуализиро вались при помощи радиоавтографии.
Все микросателлитные локусы были проверены на возможные ошибки генотипирования с использованием программы Micro Checker 2.2.3 [Oosterhout et al., 2004]. Тесты на отклонения от равно весия Харди-Вайнберга и отсутствие неравновесного сцепления ге нов были выполнены в программе Genepop web version 4.0.10 [Rous set, 2008]. Коррекцию уровней статистической значимости для мно жественных сравнений проводили с помощью процедуры Benjamini and Yekutieli (B–Y) [Benjamini and Yekutieli, 2001]. Для вычисления коэффициента инбридинга (FIS) в каждой выборке и аллельного раз нообразия (AR) скорректированного на минимальный размер выборки была использована программа Fstat 2.9 [Goudet, 1995]. Вычисление наблюдаемой (HO) и ожидаемой (HE) гетерозиготности проводили в программе Arlequin 3.5 [Excoffier and Lischer, 2010]. Различия в на блюдаемой гетерозиготности, количестве аллелей на локус и аллель ном разнообразии были оценены при помощи теста Фридмана ис пользуя статистический пакет PASW Statistics 18.0.
Для оценки генетической структуры популяции рассчитывались следующие показатели. А именно: несмещенная оценка генетической дифференцияации FST () [Weir and Cockerham, 1984] для всех локу сов вычислялась в программе Fstat;
среднее Fst и 99% доверительный интервал получали при помощи ресемплинга;
парные значения FST и линеаризованные FST дистанции Сталкина вычислялись в программе Arlequin и проверялись на статистическую значимость, используя 10 000 пермутаций. Чтобы определить относительную силу генетиче ского дрейфа в каждой из выборок, рассчитывали локальное значение FST [local population FST;
Gaggiotti and Foll, 2010] и 95% интервалы наивысшей плотности апостериорного распределения (HPDI) исполь зуя программу GESTE 2.0 [Foll and Gaggiotti, 2006]. Программа Ge neClass2 2.0 [Piry et al., 2004] использовалась для анализа популяци онной структуры с применением Байесовской статистики. Суть дан ного метода заключается в вычислении вероятности (на основе дан ных генотипов) с которой особь относится к тому или иному кластеру (выборке).
Для теста на недавнее сокращение размера популяции (прохож дение через «горлышко бутылки») была использована программа Bot tleneck 1.2 [Piry, Luikart and Cornuet, 1999]. Первый из использован ных подходов основан на тестировании гипотезы об избытке наблю даемой гетерозиготности (HO). Согласно количеству использованных локусов и рекомендациям авторов программы, для поверки статисти ческой значимости гипотезы был выбран тест Уилкоксона. Второй из подходов основан на распределении частот редких и частых аллелей.
Популяции находящиеся в равновесии и не испытывавшие резкого снижения численности в недавнем прошлом должны иметь L образное распределение частот аллелей [Luikart et al., 1998]. При рез ком сокращении эффективного размера популяция будет быстрее те рять низкочастотные аллели, что вызовет нарушение L-образного распределения.
Долговременный тренд изменения численности популяции оце нивался при помощи Байесовского подхода основанного на теории коалесценции и реализованного в программе MSVAR 0.4.1 [Beau mout, 1999]. Данная программа использует МСМС (Markov chain Monte Carlo) симуляции для получения апостериорных вероятностей распределения log10(r), log10(tf) и log10(). Первый параметр, r (уро вень популяционного изменения), представляет собой отношение те кущего эффективного размера популяции (N0) к эффективному раз меру популяции до начала сокращения или увеличения численности (N1). Для каждого параметра определяли медиану и 95% HPDI. Дан ный вид анализа проводился на всей популяции одновременно (n = 157).
Для оценки потока генов (m) между локальными популяциями использовали программу BAYESASS, Version 1.3 [Wilson and Ran nala 2003]. BAYESASS оценивает скорости миграции за несколько последних поколений используя метод MCMC, при этом алгоритм программы не требует допущения о том что в популяциях существует равновесие между миграцией и дрейфом или равновесие Харди Вайнберга. Для оценки долговременного потока генов (M = m/(mµ), где m = скорость миграции и µ = скорость мутаций) между локаль ными популяциями и теты ( =4Neµ;
где Ne = эффективный размер популяции) использовалась программа MIGRATE v. 3.2.7 [Beerli and Felsenstein 1999, 2001], которая позволяет оценить скорость миграции и эффективный размер популяции на основе теории коалесценции и метода MCMC.
Глава 3. ПОЛОЖЕНИЕ ИССЛЕДУЕМОЙ ПОПУЛЯЦИИ ВНУТРИ КОМПЛЕКСА GLOYDIUS HALYS-G. INTERMEDIUS 3.1. Общие замечания к главе Систематика и таксономия комплекса видов G. halys – G. intermedius является одной из наиболее сложных и запутанных проблем в систематике змей [Gloyd and Conant, 1990]. Изучение фи логенетических взаимоотношений внутри данной группы не являлось специальной задачей данного исследования. Тем не менее, установ ление филогенетического контекста, то есть положения исследуемой популяции относительно других представителей (популяций) данного вида, является важным условием для понимания и интерпретации по лученных нами данных, а также возможности их интерполяции на другие популяции вида.
3.2. Изменчивость митохондриальной ДНК и филогенетический анализ Изменчивость мтДНК внутри Новосибирской популяции.
Были получены последовательности гена ND4 для 30 особей G. halys из Новосибирской области (по 10 из каждой локальной популяции).
Все щитомордники имели идентичный гаплотип H1, за исключением одной особи из локальной популяции A, имевшей гаплотип H2. Об наруженные гаплотипы отличаются только одной синонимичной за меной.
Доминирование одного митохондриального гаплотипа H1 с час тотой 96,7% подтверждает относительно недавнее и общее происхо ждение локальных популяций. Сходный характер изменчивости мтДНК характерен для ряда популяций рептилий Палеарктики [на пример, Natrix tessellata, Lacerta viridis;
Joger et al., 2007;
Joger et al., 2010]. Эти виды пережили существенное расширение ареалов после окончания последнего крупного оледенения, достигнув максимально го распространения во время Голоценового климатического оптиму ма [Joger et al., 2010]. С окончанием Голоценового климатического оптимума ареалы этих видов претерпели некоторое сокращение. Их небольшие изолированные популяции сохранились в климатически благоприятных районах к северу от основного ареала, преимущест венно по южным склонам речных долин [Joger et al., 2010].
Подобно видам, упомянутым выше, щитомордник имеет очень разрозненное распространение вдоль северной границы ареала на юге Сибири и занимает местообитания с подходящими микроклиматиче скими условиями (южные склоны с горно-степной растительностью) вдоль речных долин. Таким образом, изучаемая популяция обыкно венного щитомордника вероятнее всего, представляет собой голоце новый реликт, и сформировалась около 5 000 лет назад из-за сокра щения ареала вида после Голоценового климатического оптимума [Quante, 2010]. Данную гипотезу поддерживают результаты коалес центной симуляции динамики эффективного размера популяции в долгосрочной ретроспективе.
Положение исследуемой популяции внутри комплекса G. halys – G. intermedius. На рисунке 2 представлено филогенетиче ское дерево, построенное при помощи Байесовского анализа. Генети ческие дистанции между отдельными филогенетическими линиями Рис. 2. Дендрограмма филогенетических отношений внутри комплекса G. halys – G. intermedius основанная на неполных последовательностях митохондриального гена ND4 (708 пн), построенная при помощи Байесовского анализа. Указаны апо стериорные вероятности больше 50%. В скобках указанны аббревиатуры попу ляций и количество особей имеющих данный гаплотип. *последовательности по лученные из GenBank.
варьируют от 1,1 до 4,7%. На юге Западной Сибири обыкновенный щитомордник представлен двумя формами как минимум подвидового ранга (дистанция по мтДНК составляет 3,5%). G. halys spp. 1 распро странен на Алтае и юге Республики Тыва, тогда как G. halys spp. обитает в Новосибирской области, Алтайском крае, на границе Крас ноярского края и Хакасии (оз. Учум) и доходит до Восточной Монго лии. По всей видимости, эта же форма щитомордника обитает на тер ритории Кемеровской области, Прибайкалье и Забайкалье. Вопрос о том, какую из этих двух форм считать номинативной, остается от крытым, так как отсутствуют образцы с типовой территории вида (район Минусинской котловины, Хакасия).
3.3. Морфологическая изменчивость внутри вида Как самцы, так и самки щитомордников из Новосибирской об ласти обладают достоверно меньшим количество брюшных (Ventr.) и подхвостовых (Scd.) щитков по сравнению со змеями из Западной Монголии (представляющих, вероятно, G. halys spp. 1). Щитоморд ники из Восточной Монголии, относящиеся, вероятно к той же груп пе, что и Новосибирская популяция – G. halys spp. 2, отличаются дос товерно меньшим количеством брюшных щитков у самок и подхво стовых щитков у самцов. При этом степень отличий выше при срав нении со щитомордниками из Западной Монголии. Таким образом, морфологические данные согласуются с генетическими и подтвер ждают сходство Новосибирской популяции с Восточно-Монгольской и их отличия от щитомордников из Западной Монголии.
Глава 4. СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦИИ 4.1. Биотопическая приуроченность, характеристика и простран ственная структура местообитаний На изучаемой территории щитомордник придерживается каме нистых и скальных местообитаний, представленных каменными осы пями, обнаженными скалами, нагромождениям крупных камней и ва лунов, а так же каменистой степи. Общая площадь пригодных место обитаний в регионе составляет около 120 га. В данном разделе, кроме того, рассмотрены особенности суточной активности и биотопиче ской приуроченности разных возрастных групп щитомордника. Пока зана приуроченность новорожденных щитомордников к участкам ка менистой степи.
4.2. Морфологическая изменчивость внутри популяции Значимые отличия между локальными популяциями выявлены по пяти признакам. Самцы из локальной популяции B отличаются большими значениями количества брюшных щитков (ANOVA: F = 6,002;
p = 0,004), отношением количества брюшных щитков к подхво стовым (ANOVA: F = 3,431;
p = 0,038) и длины туловища к длине хвоста (Kruskal-Wallis ANOVA: H = 13,160;
p = 0,001). Змеи из ло кальной популяции А отличаются меньшим количеством височных щитков в первом и во втором ряду (Kruskal-Wallis ANOVA: H = 9,658;
p = 0,008 и H = 8,839;
p = 0,012, соответственно). Будучи коли чественными по своей природе, данные признаки, вероятнее всего, являются полигенными, и их различия могут носить случайный ха рактер, отражая эффект генетического дрейфа. Кроме того, в случае самцов из локальной популяции B, изменения признаков, проявляю щих половой диморфизм в сторону его усиления, могут быть связаны с более острой конкуренцией в данной локальной популяции вследст вие большей плотности змей.
4.3. Возрастной и половой состав популяции Доля самцов достоверно ниже в локальной популяции A, тогда как в других локальных популяциях достоверных отличий не обна ружено. Тем не менее, во все трех выборках соотношение самцов и самок составляет около 2:3. Кроме того, данная пропорция является достоверной и при объединении данных по всем локальным популя циям. Среди половозрелых особей во всех трех локальных популяци ях преобладают змеи с длиной туловища 500-600 мм, что примерно соответствует возрасту в 4-5 лет (по Колобаеву Н.Н., неопубликован ные данные). Значимых отличий по этому показателю между локаль ными популяциями не обнаружено (Kruskal-Wallis ANOVA: H = 3,662, p = 0,160).
4.4. Генетическое разнообразие и структура популяции Значения средней наблюдаемой гетерозиготности (HO) и сред ней ожидаемой гетерозиготности (HE) оказались высокими и практи чески идентичными во всех трех локальных популяциях (HO, тест Фридамана: 2 (2) = 0,250, P = 0,882). Среднее аллельное разнообра зие, скорректированное на минимальный размер выборки было также схожим (AR: 2 (2) = 4,065, P = 0,131), но абсолютное значение не сколько выше в локальной популяции B (8,82). Кроме того, локальная популяция B, расположенная в центре исследуемой территории, име ет в три раза больше приватных аллелей (10) чем в расположенных по краям локальных популяциях A и C (по 3 аллеля). Однако проверка не выявила наличие статистически значимых различий (2 (2) = 4,667, P = 0,097) между ними (Табл. 1).
Таблица 1.
Генетическая изменчивость локальных популяций обыкновенного щитомордника оцененная по 8 микросателлитным локусам.
Локальная n HO ± SD HE ± SD NA A AP AR FIS r популяция A 55 0,78 ± 0,10 0,76 ± 0,09 69 8,63 3 8,07 -0,021 0, B 58 0,75 ± 0,15 0,77 ± 0,13 78 9,88 10 8,82 0,029 0, C 44 0,74 ± 0,13 0,75 ± 0,14 68 8,75 3 8,38 0,015 0, n – размер выборки;
HO – средняя наблюдаемая гетерозиготность;
HE – средняя ожидаемая гетерозиготность;
NA – общее количество наблюдаемых аллелей;
A – среднее количество аллелей на локус;
AP – количество приватных аллелей;
AR – среднее аллельное разнообразие скорректированное на минимальный размер вы борки;
FIS – средний уровень инбридинга (дефицит гетерозиготности);
r – среднее индивидуальное попарное родство [Wang 2007].
Общее значение FST является достоверным (Fst = 0,013, 99% CI:
0,007-0,023), означая, что 1,3% генетической изменчивости связано с различиями между локальными популяциями. Все парные значения FST были статистически значимыми после B-Y коррекции для множе ственных сравнений и варьировали от 0,009 между B и C до 0, между A и C (рис. 3). Локальные значения FST, оцененные при помо щи GESTE, различаются между выборками в соответствии с удален ностью каждой из них от центра популяции (Табл. 2). Локальная по пуляция A, расположенная на самом краю занимаемой щитомордни ком территории, является наиболее дифференцированной от общего генетического пула, то есть подвержена наибольшему воздействию ге нетического дрейфа.
Таблица 2.
Локальные значения FST в трех локальных популяциях щитомордника обыкновенного.
FST Локальная популяция Мода 95% HPDI A 0,025 0,014 - 0, 14 10-11 - 0, B 0, C 0,011 0,002 - 0, (Б) (А) Рис. 3. (А) Генетическая дифференциация между локальными популяциями обыкновенного щитомордника. Толщина стрелок отражает относительную ве личину парных FST значений. Круговые диаграммы отражают долю особей отне сенных к той или иной локальной популяций по результатам Байесовского ана лиза. (Б) Диаграмма рассеивания, показывающая связь между генетическими дистанциями и log-трансформированными географическими дистанциями.
Глава 5. ДЕМОГРАФИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОПУЛЯЦИИ 5.1. Численность по результатам мечения и повторных отловов В 2009-2011 гг. было поймано и помечено 198 змей, из них (8,1%) было отловлено повторно. Все особи, отловленные повторно, были обнаружены в местах их первоначального мечения, то есть за три года исследований нам не удалось документально зафиксировать перемещения змей между популяциями. Результаты оценки абсолют ной численности при помощи разных методов приведены в Табл. 3.
При помощи метода Джолли-Зебера и метода трехкратных отловов Бейли были получены сходные оценки численности локальных попу ляций, используя данные за три года. В тоже время, расчеты, осно ванные на отловах в течение одного сезона активности змей, отлича ются значительно (Табл. 3). В данной ситуации мы склонны придер живаться результатов, основанных на трёхгодичных данных с ис пользованием методов, предусматривающих модель «открытой» по пуляции. Оценки численности, полученные на основе внутрисезон ных отловов, выглядят несостоятельными. Например, в локальной популяции B за три года было поймано 83 щитомордника, при этом удавалось отлавливать лишь около 20-30% увиденных змей. Тогда как абсолютная численность согласно разным методам на основе внутрисезонных данных составила 80-228 особей, что явно меньше наблюдаемого нами количества особей.
Таблица 3.
Абсолютная численность локальных популяций щитомордника обыкновенного по результатам мечения и повторных отловов.
Метод измерения, численность [особей] Локальная Между годами Внутри года популяция J-S B среднее B J-S S среднее A 676 650 663 120 176 79 B 1369 1332 1351 80 85 228 C 1024 992 1008 86 90 116 Сокращения: J-S – метод Джолли-Зебера;
B - метод трехкратных отловов Бейли;
S - метод Шнабеля.
5.2. Оценка численности по генетическим данным Для оценки численности популяции может быть использован эффективный размер популяции (Ne), который отражает только чис ленность размножающихся особей и может быть выведен из генети ческих данных через параметр тета ( =4Neµ;
где µ = скорость мута ции). Наименьшая численность установлена для локальной популя ции А (1639 особей), наибольшая - для локальной популяции В ( особи). Несмотря на разницу в 1,5 - 2,5 раза, данные оценки числен ности можно считать приближенными к значениям, полученным при помощи мечения и повторных отловов (на основании трехгодичных данных) с учетом высокой вероятности недооценки численности по следними. Кроме того, оба подхода дают скоррелированные оценки численности, сходным образом ранжируя локальные популяции по этому показателю (рис. 4А).
5.3. Динамика размера популяции в краткосрочной и долгосроч ной ретроспективе С использованием теста на избыточную гетерозиготность не было выявлено никаких признаков прохождения локальных популя ций через «горлышко бутылки». Кроме того, не было выявлено де фицита редких аллелей, то есть распределение частот аллей в локаль ных популяциях является L-образным (рис. 4Б).
В долговременной ретроспективе выявлено существенное со кращение численности всей популяции. Согласно результатам про граммы MSVAR современный размер популяции составляет 0,4% (0,1-1,41%) от её «исторического» размера и популяция начала со кращаться в размере 16,6 N0 (5,01-57,54 N0) поколений назад. Выяв ленная динамика изменения размера популяции поддерживает ги (А) (Б) Рис. 4. (А) XYZ диаграмма рассеяния оценки численности локальных популяций G. halys разными методами (J-S - метод Джолли-Зебера;
B - метод трехкратных отловов Бейли;
Ne – эффективный размер популяции на основе генетических данных). (Б) Распределение частот аллелей микросателлитных локусов в локаль ных популяциях G. halys рассчитанное с помощью программы BOTTLENECK.
По оси ординат – пропорции аллелей, по оси абсцисс – частоты аллелей.
потезу о том, что изучаемая популяция представляет собой относи тельно недавний реликт, возникший вследствие сокращения ареала вида после Голоценового климатического оптимума.
5.4. Миграция особей внутри популяции Статистически значимые различия (p 0,05) между самцами и самками были выявлены по FST и R (коэффициент родства). Гораздо более низкие показатели генетической дифференциации между ло кальными популяциями и среднего уровня родства у самцов свиде тельствуют об их существенно большей склонности к расселению.
При анализе самцов и самок вместе, кратковременные оценки миграции колебались от 0,0072 (из С в А) до 0,1875 (из А в В) (Табл.
4). При этом не было обнаружено достоверных отличий в уровне ми грации в любой из пар локальных популяций. При использовании в анализе только самцов были получены отличающиеся оценки уров ней миграции (Табл. 4). При этом ассиметричные уровни миграции (то есть, неперекрывающиеся 95% доверительные интервалы) были получены для пары локальных популяций А и B. Поток генов из ло кальной популяции B в локальную популяцию A более чем в 4,5 раз превышает таковой в обратном направлении (Табл. 4).
Таблица 4.
Оценки направленного потока генов (m) в каждой паре локальных популяций обыкновенного щитомордника для общей выборки (самцы и самки) и только для самцов.
m (95% CI) Пара самцы + самки самцы AB 0,1875 (0,0009 – 0,3260) 0,0540 (0,0005 – 0,0997) AC 0,1820 (0,0118 – 0,3263) 0,0511 (0,0007 – 0,0936) BA 0,1262 (0,0002 – 0,3301) 0,2593 (0,2318 – 0,3289) BC 0,1327 (0,0014 – 0,3151) 0,2537 (0,1767 – 0,3274) CA 0,0072 (0,0001 – 0,0293) 0,0171 (0,0004 – 0,0595) CB 0,0430 (0,0021 – 0,1143) 0,0748 (0,0016 – 0,1992) Локальная популяция C, расположенная ниже по течению реки, имеет наибольшее значение чистой эмиграции (совокупная эмигра ция в популяцию минус совокупная иммиграция из популяции) как при расчетах, включающих одновременно самцов и самок, так и только самцов (Табл. 5). Самая крупная из локальных популяций – B, обладает негативным уровнем чистой эмиграции, и служит основным источником мигрантов в другие локальные популяции.
Таблица 5.
Сводные данные по уровням эмиграции, иммиграции и чистой эмиграций между локальными популяциями обыкновенного щитомордника.
Локальная Совокупная Совокупная эмиграция Чистая эмиграция популяция иммиграция самцы + самки A 0,1334 0,3695 0, B 0,2305 0,2589 0, C 0,3147 0,0502 +0, только самцы A 0,2764 0,1051 +0, B 0,1288 0,5130 0, C 0,3048 0,0919 +0, Заключение Существование видов в виде изолированных популяций на пе риферии ареала связано, как правило, с отдельными участками ме стообитаний, предоставляющих благоприятные микроклиматические условия при неоптимальном наборе абиотических и биотических факторов. В таких условиях происходит формирование небольших по размерам и численности локальных популяций, что особенно харак терно для пресмыкающихся ввиду особенностей их экологии как пойкилотермных организмов. В таких условиях жизнеспособность локальных популяций становится в зависимость от характера взаимо действия между ними. Большое количество локальных популяций, имеющих собственную демографическую динамику, но при этом связанных между собой посредством определенного уровня миграции особей (= потока генов), имеют больше шансов для выживания в дол госрочной перспективе [Gaggiotti and Hanski, 2004]. Миграция урав новешивает потенциально неблагоприятное воздействие генетическо го дрейфа на локальные популяции, способствует распространению выгодных аллелей и поддержанию гетерозиготности. С другой сторо ны, слишком интенсивный обмен мигрантами приводит к быстрому распространению паразитов и заболеваний между локальными попу ляциями, что иногда может иметь фатальные последствия для их вы живания [Gaggiotti, 2003].
Была изучена структура и динамика изолированной популяции обыкновенного щитомордника на северной периферии ареала. С ис пользованием экологических и генетических данных подтверждена относительная дискретность локальных популяций, приуроченных к подходящим участкам местообитаний. При этом между локальными популяциями сохраняется небольшой уровень обмена особями, в пер вую очередь за счет расселения самцов. Миграция при этом носит ас симетричный характер: источниками мигрантов служат большие по численности локальные популяции, расположенные в центре зани маемой видом территории. Так как нами было установлено, что ло кальные популяции, расположенные по краям данной территории, более подвержены воздействию генетического дрейфа, «эффект спа сения» за счет притока новых особей (и новых аллелей) из центра по пуляции должен играть важную роль в поддержании их долговремен ной жизнеспособности и генетического разнообразия.
Наши данные указывают на благополучное состояние локаль ных популяций вида, поскольку они имеют относительно высокую численность, характерное для змей соотношения самцов и самок и возрастную структуру, высокое генетическое разнообразие. Для под держания долговременной жизнеспособности всей популяции основ ное внимание стоит уделить мониторингу состояния крупных ло кальных популяций в центре занимаемой видом территории, и сохра нению участков пригодных местообитаний на всем протяжении рас пространения, с целью поддержания потока мигрантов.
Выводы 1. На территории юга Западной Сибири обыкновенный щито мордник представлен двумя формами (G. halys spp. 1 и G. halys spp.
2), имеющих существенные генетические и морфологические отли чия. Популяция с территории Новосибирской области относится к G.
halys spp. 2 и её изоляция связанна с сокращением ареала вида после Голоценового климатического оптимума (около 5000 лет назад).
2. Локальные популяции щитомордника в пределах Новосибир ской популяции приурочены к скальным местообитаниям, предостав ляющим благоприятные микроклиматические условия для вида, в связи с чем популяция имеет четкую пространственную подразде лённость в соответствии с расположением местообитаний. При этом локальные популяции обладают сходными демографическими харак теристиками и демонстрируют морфологические отличия по отдель ным признакам, связанные, скорее всего, со случайными факторами.
3. Изученная популяция отличается высоким уровнем генетиче ского разнообразия, и относительно низкой для гадюковых змей, но значимой генетической дифференциацией на уровне локальных по пуляций. При этом прослеживается тенденция к изоляции расстояни ем и усиливающееся влияние генетического дрейфа на локальные по пуляции, расположенные с краю.
4. Локальные популяции связаны между собой посредством ми грации особей, при этом основную роль в расселении играют самцы, тогда как самкам присуща более высокая степень филопатрии.
5. Основные пути миграции – из наибольшей по размеру ло кальной популяции, расположенной в центре, к краевым локальным популяциям выше и ниже по течению реки. Таким образом, крупные локальные популяции служат источником притока генов к более мел ким краевым популяциям и поддерживают равновесие между мигра цией и генетическим дрейфом, что необходимо для долговременного существования локальных популяций.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Симонов Е.П. Распространение и некоторые аспекты экологии обыкновенного щитомордника (Gloydius halys) на севере ареала в Но восибирской области // Поволжский Экологический Журнал. 2007.
№ 1. С. 71-74.
2. Simonov E., Zinchenko V. Intensive infestation of Siberian pit viper, Gloydius halys halys by the common snake mite, Ophionyssus na tricis // North-Western Journal of Zoology. 2010. V. 6. № 1. P. 134-137.
3. Simonov, E.P. Unusual colour form of Siberian pit viper (Gloydius h. halys) from the northern edge of its area // Acta Herpetologica. 2010. V.
5. № 1. P. 87-89.
4. Simonov E., Wink M. Cross-amplification of microsatellite loci re veals multiple paternity in Halys pit viper (Gloydius halys) // Acta Herpe tologica. 2011. V. 6. № 2. P. 289-295.
5. Симонов Е.П., Винк М. Использование буккальных мазков для получения образцов ДНК чешуйчатых пресмыкающихся (Squamata):
сравнительный анализ методов // Зоологический журнал. 2012. T. 91.
№ 11. С. 1415-1419.
6. Simonov E., Wink M. Population genetics of Halys pit viper (Gloy dius halys) at the northern distribution limit in Siberia // Amphibia Reptilia. 2012. V. 33. P. 273-283.
Прочие публикации:
7. Симонов Е.П. Уточнение северной границы ареала щитоморд ника обыкновенного (Gloydius (Agkistrodon) halys) и его биотопиче ская приуроченность на территории Западной Сибири // Вестник Мордов. ун-та. 2008. № 2. биол. науки. C. 65-70.
8. Симонов Е.П. Различия некоторых экологических показателей у двух возрастных групп в популяции щитомордника обыкновенного // Сообщества и популяции животных: экологический и морфологи ческий анализ (коллективная монография). Изд. КМК М.: 2010. С.
245-254.
9. Simonov E.P. Differences in habitat use, daily activity patterns and preferred ambient temperatures of adult and neonate Gloydius halys halys from an isolated population in southwest Siberia: preliminary data // Her petology Notes. 2009. V. 2. P. 1-7.
10. Simonov E.P., Wink M. Fine scale genetic structure and male biased dispersal in a metapopulation of Halys pit viper (Gloydius halys) // Abstracts of the SEH European Congress of Herpetology & DGHT Deutscher Herpetologentag. Luxembourg, 2011. P. 123.
11. Simonov E.P., Johnsen A. Unexpected phylogenetic relationships between populations of Halys pit-viper (Gloydius halys) in West Siberia // Proceedings of the 5th Asian Herpetological Conference. Chengdu, 2012.
P. A075.