Популяционные и генетические аспекты взаимодействия хромосомных рас обыкновенной бурозубки sorex araneus l. в гибридной зоне
На правах рукописи
ПАВЛОВА Светлана Владимировна ПОПУЛЯЦИОННЫЕ И ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ХРОМОСОМНЫХ РАС ОБЫКНОВЕННОЙ БУРОЗУБКИ SOREX ARANEUS L.
В ГИБРИДНОЙ ЗОНЕ 03.00.08 – зоология 03.00.15 – генетика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва 2007
Работа выполнена в Институте проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ: доктор биологических наук Н. А. Щипанов кандидат биологических наук Н.Ш. Булатова ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор биологических наук, профессор В.А. Долгов доктор биологических наук Е.Г. Потапова ВЕДУЩЕЕ УЧРЕЖДЕНИЕ Институт цитологии и генетики Сибир ского отделения РАН (г. Новосибирск)
Защита диссертации состоится 18 декабря 2007 г. в 14 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.213.01 при Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН по адресу: 119071 Москва, Ленинский проспект, факс: (495) 952-35-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Отделения общей биологии РАН по адресу: 119071 Москва, Ленинский проспект, Автореферат разослан 16 ноября 2007 г.
Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций кандидат биологических наук Т.П. Крапивко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Естественная гибридизация на межвидовом уровне широко распро странена у разных групп животных (Barton, Hewitt, 1985;
Панов, 1989). По мере усовер шенствования цитогенетических методик за последние полвека стало возможным подойти к изучению феномена гибридизации на уровне гибридных зон между разными хромосом ными формами одного вида (Searle, Wjcik, 1998). В гибридных зонах между парапатри ческими расами как в «природных лабораториях для изучения эволюции» (Hewitt, 1988) можно рассматривать начальные стадии внутривидовой дивергенции вплоть до уровня полноценных видов.
Обыкновенная бурозубка (Sorex araneus Linnaeus, 1758) – вид млекопитающих, об ладающий исключительной вариабельностью кариотипа. В пределах ареала от Британских островов до Байкала он образует не менее 68 хромосомных рас (Wjcik et al., 2003), и спи сок продолжает увеличиваться (Орлов и др., 2004;
Searle, Bulatova, 2007). В зонах контак та рас образуются различные по типу гибридные зоны, представляющие собой однона правленные или встречные моно- и поликлины, но наибольший интерес с точки зрения эволюционных последствий представляют «напряженные гибридные зоны» («tension zones», Key, 1968). Локализация и конфигурация таких зон поддерживается не физико географическими или экологическими барьерами или иными внешними факторами, а ба лансом генетических (пониженная приспособленность гибридов) и популяционных (рас селение) характеристик (Barton, Hewitt, 1985), и именно поэтому они могут служить иде альной моделью для изучения популяционных и генетических аспектов естественной гиб ридизации.
На ареале вида до сих пор изучено 14 гибридных зон между хромосомными расами, в которых представлен разный уровень кариотипических различий и, соответственно им, возможно разная степень неприспособленности гибридов. Все эти случаи относят к кате гории напряженных гибридных зон (Searle, Wjcik, 1998). При изучении гибридизации хромосомных рас S. araneus основное внимание уделялось генетическим факторам, тогда как экологические характеристики использованы в основном формально.
Среди изученных гибридных зон только один пример относится к России – гибрид ная зона между расами Новосибирск и Томск в Западной Сибири (Анискин, Лукьянова, 1989;
Polyakov et al., 2002). Недавно на европейской территории России была открыта но вая зона контакта между хромосомными расами Москва и Селигер (Bulatova et al., 2000;
Щипанов, 2003). Это лишь третий случай естественной гибридизации хромосомных рас S.
araneus с крайней степенью кариотипических различий (сопоставимых с межвидовыми S.
araneus - S. antinorii), которые теоретически должны приводить к пониженной приспособ ленности гибридного потомства и формированию напряженной зоны. В «строгой» гиб ридной зоне хромосомных рас, характеризующихся максимальным числом хромосомных перестроек, впервые проведен анализ не только генетических, но и экологических и попу ляционных факторов, влияющих на конфигурацию и поддержание гибридной зоны, что и определяет актуальность темы.
Цель и задачи исследования. Целью работы было изучение популяционных эколо гических и генетических аспектов взаимодействий обыкновенных бурозубок двух хромо сомных рас в зоне гибридизации.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. исследовать кариотипическую изменчивость S. araneus в зоне контакта хромосомных рас Москва и Селигер;
2. на основе пространственного распределения частот родительских рас и гибридов оп ределить локализацию, конфигурацию и тип гибридной зоны;
3. оценить показатели приспособленности гибридов в природной популяции, в частно сти: а) выживаемость гибридного потомства, б) вероятность возвратного скрещива ния, в) возможность нарушения нормального хода мейоза у гибридных самцов;
4. оценить роль внешних факторов (физико-географических и биотопических преград) в локализации гибридной зоны;
5. оценить возможную роль популяционных факторов (особенностей использования пространства и дистанции расселения зверьков) в ограничении потока генов и лока лизации гибридной зоны;
6. на основе фактических данных о дистанциях расселения и пространственного рас пределения родительских рас и гибридов симулировать распределение кариотипиче ских вариантов в гибридной зоне при разных типах расселения и оценить возможную роль ограниченного расселения в поддержании структуры и конфигурации гибрид ной зоны.
Научная новизна работы. Новый материал получен для цитогенетического и попу ляционного исследования гибридной зоны двух хромосомных рас обыкновенной бурозуб ки, открытой в центре европейской территории России. Впервые в зоне контакта рас Мо сква и Селигер проведено массовое кариотипирование в разные сезоны года и изучение пространственного распределения частот кариотипических вариантов в центре гибридной зоны. Несмотря на максимальные кариотипические различия между гибридизирующими расами, в природной популяции показана возможность возвратных скрещиваний. Впервые для вида показано отсутствие значимых различий в выживаемости гибридов и родитель ских рас при естественной гибридизации. Обнаружено, что в мейозе у самцов гибридов F образуется конфигурация в виде цепи из одиннадцати элементов (CXI), которая является самой длинной гибридной конфигурацией у S. araneus. Показано, что ограничение потока генов и локализация гибридной зоны может устойчиво поддерживаться за счет смены ти пов расселения на границе популяционного пространства в отсутствии значимых призна ков пониженной приспособленности гибридов.
Теоретическая и практическая значимость результатов работы. Вопреки суще ствующим до сих пор представлениям о механизмах поддержания напряженных гибрид ных зон (Hewitt, 1988), полученные результаты позволили установить, что такие зоны мо гут образовываться и при отсутствии генетических барьеров и пониженной приспособ ленности гибридов. Достаточным условием локализации гибридных зон в отсутствии от бора против гибридов и внешних барьеров может быть наличие двух разных типов рассе ления в центре и на периферии гибридизирующих популяций, что ограничивает поток ге нов и распространение гибридной зоны. Таким образом, гибридные зоны, вне зависимости от того, поддерживаются ли они только генетическими или только популяционными фак торами или их комбинацией, могут иметь сходные характеристики пространственной структуры и конфигурации, соответствующие формальным критериям напряженных зон.
Полученные результаты могут быть использованы в лекционных и практических курсах по популяционной экологии и популяционной генетике.
Апробация работы. Результаты исследования представлены в виде устных и стен довых докладов на VII Совещании Международного Комитета по цитогенетике Sorex ara neus (ISACC) (С.-Петербург, 2005), 10-й школе-конференции молодых ученых «Биология наука XXI века» (Пущино, 2006), Международном симпозиуме «Информационные систе мы и web-порталы по разнообразию видов и экосистем» (Борок, 2006), Конференции мо лодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ им. А.Н. Северцова РАН (Москва, 2006), X Меж дународном Конгрессе по биологии грызунов (Италия, Парма, 2006), Международном со вещании «Териофауна России и сопредельных территорий» (Москва, 2007), V Европей ском Конгрессе по млекопитающим (Италия, Сиена, 2007), III Всероссийской научной конференции по биологии насекомоядных млекопитающих (Новосибирск, 2007);
на меж лабораторных и межинститутских семинарах и коллоквиумах ИПЭЭ РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 2 статьи в журналах списка ВАК, 5 работ в других научных изданиях и 5 тезисов докладов. Кроме того, 2 научные статьи приняты в печать в рецензируемые журналы списка ВАК.
Объем и структура работы. Текст диссертации изложен в рукописи объемом страниц и включает: Введение, 6 глав, заключение, выводы и список литературы. Работа иллюстрирована 24 рисунками, 20 таблицами. В списке литературы 185 источников, в том числе 140 на иностранном языке.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. ГИБРИДНЫЕ ЗОНЫ SOREX ARANEUS КАК ЕСТЕСТВЕННЫЕ ЛАБОРАТОРИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МИКРОЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ (обзор литературы) Характеризуя значение гибридных зон для общих зоологических и эволюционных построений Хьюит (Hewitt, 1988) пишет, что они являются «естественной лабораторией для изучения процессов эволюции». У обыкновенных бурозубок изучено 14 гибридных зон, в которых взаимодействующие расы характеризуются разной степенью кариотипиче ских различий (Searle, Wjcik, 1998). Обыкновенные бурозубки характеризуются высоким уровнем обмена (Vogel, 1976;
Taylor, 1998) и зависят от факторов среды больше чем дру гие мелкие млекопитающие (Churchfield, 1990), а жизнеспособность их популяций в зна чительной степени определяется расселением (Hanski, 1989, 2005). Поэтому, рассмотрен ные случаи описывают взаимодействие хромосомных рас в зависимости от климатиче ских, биотопических, физико-географических или антропогенных факторов (Hausser et al., 1991;
Fedyk et al., 1991;
Banaszek, 1994;
Szalaj et al., 1996;
Narain, Fredga, 1996;
Polyakov et al., 2002;
Jones, Searle, 2003). Изучение генетических взаимодействий у хромосомных рас Vaud и Valais привело к выделению последней в самостоятельный вид S. antinorii (Hausser et al., 1991;
Brunner et al., 2002). Наибольший интерес для изучения представляют напря женные гибридные зоны, ширина и курс которых, определяются генетическими взаимо действиями: положительно связаны с дистанцией расселения и негативно с величиной от бора против гибридов (Barton, Hewitt, 1985). Вместе с тем, работы, посвященные гибрид ным зонам S. araneus не опираются на количественные данные популяционных исследо ваний. Так, ширина клины гибридной зоны Uppsala-Hllefors, рассчитанная исходя из предполагаемой дистанции расселения 100 м, в несколько раз превышает фактическую ширину гибридной зоны (Narain, Fredga, 1996). Было высказано предположение, что ши рина и локализация гибридной зоны может определяться внутрипопуляционными факто рами, которые способствуют большей вероятности расселения зверьков в пределах про странства родительских популяций (Щипанов, 2003, Shchipanov, 2007).
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Материал для исследования собран в двух районах: непосредственно в гибридной зоне двух хромосомных рас обыкновенной бурозубки Москва и Селигер и на экологиче ском стационаре «Крутицы», где лабораторией популяционной экологии ИПЭЭ РАН про водится многолетний мониторинг популяций землероек.
В зоне контакта хромосомных рас Москва и Селигер (Тверская обл., Осташковский р-н, окрестности оз. Селигер близ типового локалитета одноименной расы: 5710 с.ш.
3330 в.д.) исследован участок 45 25 км, расположенный по обе стороны от русла р.
Волга, включая межозерный промежуток с оз. Селигер на левом берегу. При изучении зо ны контакта трапиковые живоловки оригинальной конструкции (Щипанов, 1986) выстав ляли с интервалом 7,5 м линиями по 50-100 штук для отлова и последующего кариотипи рования каждой особи. Места локализации крайних ловушек на линиях определяли с по мощью GPS и наносили на космический снимок с привязанными координатами. Улов на отдельной линии рассматривали как единичную выборку и представляли на карте в виде отдельного локалитета. Собственный материал, собранный за три экспедиционные поезд ки в 2005-2006 гг., составляет 216 особей из 20 новых локалитетов. Дополнительно в ра боте использованы опубликованные данные по 87 особям из 23 локалитетов, собранные в период 1997-2005 гг. (Bulatova et al., 2000;
2007) (табл. 1).
Таблица 1. Характеристика материала, полученного для цитогенетического изуче ния Sorex araneus в зоне контакта хромосомных рас Москва (Mo) и Селигер (Sl).
* Bulatova et al., 2000 (TL-типовой локалитет Sl), ** Bulatova et al., 2007.
Выделенным шрифтом обозначена выборка самцов, мейоз которых был изучен в 2006 г.
Число исследованных экземпляров Дата Код точки Гибриды Mo Sl отлова (самцы/самки) (самцы/самки) (самцы/самки) Мо, Sl (TL)* VII. 1997 5 (2/3) 2 (1/1) 1-21** VI.2001- IX.2005 19 (12/7) 56 (41/15) 5 (4/1) A X. 2005 - 23 (9/14) 3 (1/2) E X. 2005 2 (0/2) 6 (3/3) B X. 2005 7 (5/2) 30 (15/15) 12 (6/6) C X. 2005 14 (8/6) 20 (8/12) 13 (3/10) D X. 2005 22 (12/10) - 1 (1/0) 22 IV. 2006 - 1 (0/1) 5 (1/4) 23 IV. 2006 3 (3/0) 2 (1/1) IV. 2006 24 7 (5/2) IV. 2006 - 25 3 (1/2) IV. 2006 - 26 2 (1/1) IV. 2006 27 1 (0/1) 2 (2/0) IV. 2006 28 1 (0/1) 1 (1/0) IV. 29 - 3 (1/2) 30 X. 2006 - 8 (6/2) 31 X. 2006 - 4 (2/2) 32 X. 2006 3 (3/0) - 2 (1/1) 33 X. 2006 6 (3/3) - 34 X. 2006 3 (2/1) - 35 X. 2006 4 (3/1) - 36 X. 2006 2 (1/1) Всего: 93 (52/41) 169 (98/71) 41 (18/23) ИТОГО: 43 303 (168/135) 1997- Препараты соматических хромосом получены стандартным методом из клеточных суспензий костного мозга и селезенки по протоколу, принятому в лаборатории микроэво люции млекопитающих ИПЭЭ РАН (Орлов, Булатова, 1983). Кариотипический статус особей определен методом G-окраски хромосом и проанализирован в соответствии с но менклатурой стандартного кариотипа обыкновенной бурозубки, принятой Международ ным комитетом по цитогенетике S. araneus (ISACC) (Searle et al., 1991).
Препараты мейотических хромосом получены из семенных канальцев 16 перезимо вавших самцов. Фиксация проведена по протоколу, включенному в методическую часть атласа А.С. Графодатского и С.И. Раджабли (1988) со ссылкой на оригинальный метод без центрифугирования, удобный для работы в полевых условиях (Williams et al., 1971). При изучении мейотических конфигураций на стадиях диакинез – метафаза I было проанали зировано не менее 20 хорошо распластанных клеток для каждой особи разных кариотипи ческих вариантов.
Препараты распластанных сперматоцитов I порядка одного гибридного самца были получены по методике Navarro et al. (1981) и окрашены 50% раствором AgNO3. Анализ синаптонемных комплексов (СК) хромосом проведен с помощью электронного микроско па JEM 100 на базе лаборатории популяционной генетики ИОГЕН РАН.
Для анализа соотношения площадей различных типов биотопов в зоне контакта двух рас (1515 км) использована процедура геоботанического дешифрирования оцифрованно го космического снимка (Чеботарев и др., 2006;
Щавелев, 2006). Для установления воз можных различий в биотопических предпочтениях обеих рас и гибридов анализировали их частотное распределение по микростациям. Выживаемость гибридов и родительских рас в зимнее время оценивали, сравнивая частотное соотношений различных кариотипи ческих вариантов в гибридной зоне осенью и весной.
На стационаре «Крутицы» (Тверская обл., Старицкий р-н, правобережье р. Волги, 56°18’ с.ш. 34°52’ в.д.) собран материал для изучения использования пространства и осо бенностей расселения у обыкновенных бурозубок. Стационар находится в пределах ареала хромосомной расы Москва (Orlov et al., 1996;
Bulatova et al., 2000;
Павлова и др., 2006).
На 6 трансектах живоловок по оригинальной методике (Щипанов и др., 2000) ведется ме чение зверьков с повторным отловом. Для настоящего исследования были привлечены коллективные данные по мониторингу S. araneus с 1995 г. Автор принимает участие в этой работе с 2005 г. Общий объем материала составляет 2238 индивидуально меченых особей с 8509 повторными отловами.
Глава 3. ЛОКАЛИЗАЦИЯ ГИБРИДНОЙ ЗОНЫ Ареалы хромосомных рас Москва и Селигер.
Ареал хромосомной расы Москва расположен в центре европейской территории России между 55-57o с.ш. и 32-42o в.д. в междуречье Волги и Оки. Раса Москва окружена несколькими расами, с которыми может гибридизировать в зонах контакта (Булатова, Павлова, 2007). На северо-западе ареал расы доходит почти до западной окраины Валдай ской возвышенности, где в районе оз. Селигер контактирует с одноименной расой (Bula tova et al., 2000). До настоящего времени сведения о распространении расы Селигер огра ничены территорией близ первоначально обнаруженной зоны контакта с хромосомной ра сой Москва.
Диагноз расы Москва определяют 5 метацентриков - gm, hi, kr, no, pq (Анискин, Лукьянова, 1989;
Orlov et al., 1996). В диагнозе расы Селигер 4 метацентрика с тем же со ставом хромосомных плеч, но иной комбинацией, и два акроцентрика – hn, ik, mq, pr, g, o (Bulatova et al., 2000).Обе расы внесены в перечни хромосомных рас обыкновенной буро зубки, опубликованные ISACC (Zima et al., 1996;
Wjcik et al., 2003).
Физико-географическая характеристика зоны контакта.
И ареал расы Москва и известная часть ареала расы Селигер располагаются в преде лах пространства занятого южно-таежными и смешанными лесами. Непосредственно на месте расположения гибридной зоны растительность представлена большим массивом ельников (Растительность…, 1980). В пределах этого массива коренным зональным типом являются еловые зеленомошные леса, преимущественно кисличные, черничные и кислич но-папоротниковые. Подобные южно-таежные ельники европейского типа сочетаются с производными сосновыми и мелколиственными лесами, а также сосновыми сфагновыми болотами и сельскохозяйственными угодьями (лугами, залежами и пашнями).
Высказывалась точка зрения (Борисов и др., 2007), что зона контакта хромосомных рас Се лигер и Москва на перешейке озер Стерж и Селигер расположена вблизи краевых образований ледника вепсовской стадии. Однако, если такое предположение может объяснить распреде ление рас в целом, то оно не позволяет предсказывать точную локализацию гибридной зоны, которая определяется только особенностями и историей взаимодействия рас и лока лизуется по хромосомным маркерам. Из-за отсутствия общих диагностических хромосом ясно, что в послеледниковые ретикулярные процессы, часто прослеживающиеся в попу ляциях соседних рас, расы Москва и Селигер до сих пор не были вовлечены.
Глава 4. СТРУКТУРА И КОНФИГУРАЦИЯ ГИБРИДНОЙ ЗОНЫ Кариотипические варианты S.araneus в зоне контакта.
Парапатрические хромосомные расы Москва и Селигер обыкновенной бурозубки различаются множественными робертсоновскими (центрическими) слияниями и/или пол ноплечевыми транлокациями (WART), из-за чего в мейозе у гибридов F1 должна форми роваться длинная цепь из 11 элементов, возможно, связанная с нарушениями фертильно сти гибридного потомства. Из многих до сих пор описанных гибридных зон у хромосом ных рас обыкновенной бурозубки гибридная зона рас Москва и Селигер самая «строгая» из-за максимального различия по числу хромосомных перестроек. Среди 5 диагностиче ских хромосом у расы Москва (gm, hi, kr, no, pq) и 6 у расы Селигер (g, hn, ik, mq, o, pr) нет ни одного полного гомолога, все 11 элементов гомологичны только по одному плечу (монобрахиальная гомология), которые в мейозе синаптируют, соединяясь, таким обра зом, в общую мейотическую последовательность – цепь CXI (g/gm/mq/qp/pr/rk/ki/ih/hn/no/o).
Большинство из 303 особей, кариотипированных в межрасовой зоне контакта, принадлежат к одной из чистых рас - Москва (N=99) или Селигер (N=163). По G-окраске хромосом у 41 особи выявлены комбинации хромосом обеих рас, что позволяет иденти фицировать такие экземпляры в основном как гибриды F1 и, реже, как результат возврат ных скрещиваний (см. далее). Гомозиготы чистых рас и гибридов F1 составляют большую часть в каждой из этих категорий. Особи с другими кариотипами (простые гетерозиготы чистых рас и варианты комплексных гетерозигот) редки, однако число разнообразных вариантов внушительно – дополнительно к 3 основным категориям (Mo, Sl, F1) выявле но13 вариантов гетерозигот, из них 7 новых (табл. 2).
Таблица 2. Кариотипические варианты, встречающиеся в зоне контакта хромосом ных рас Москва и Селигер. N – число особей. Выделенные жирным шрифтом строчки – новые, не известные ранее варианты.
Кариотип (диагностические Состояние jl Категории N хромосомы) gm, hi, kr, no, pq jl Mo g/m, hi, kr, no, pq jl Mo (g/m) g, hn, ik, mq, pr, o jl Sl g, hn, ik, mq, pr, o j/l Sl (j/l) g, hn, ik, mq, p/r, o j/l Sl (j/l, p/r) g, hn, ik, mq, pr, o j, l Sl (j-l) g, hn, ik, m/q, pr, o jl Sl (m/q) g, hn, ik, mq, p/r, o jl Sl (p/r) g/o, hn, ik, mq, pr jl Sl (g/o) g/gm/mq/qp/pr/kr/ik/hi/hn/no/o jl F1 g/gm/mq/qp/pr/kr/ik/hi/hn/no/o j/l F1 (j/l) F1 (b/c, j/l) g/gm/mq/qp/pr/kr/ik/hi/hn/no/o;
b/c j/l g/gm/hm/hi/ik/kr/pr/pq/nq/no/o jl F1 (hm, nq) g/gm/m, q/qp/pr/kr/ik/hi/hn/no/o jl F1 (g/m) gm, o/no/hn/hi/ik/kr/pr/pq/q jl B1 (gm) g/gm/mq/qp/pr/r, hn, ik, o B2 jl ВСЕГО 16 В гибридной зоне найдены новые Робертсоновские варианты хромосом. Так, у 3 осо бей с типичным для расы Селигер набором хромосом вместо 2 пар диагностических акро центриков (gg, oo) присутствовали только по одному акроцентрику g и o и новый мета центрик go. Впервые для расы Селигер отмечены гомозиготные акроцентрики j и l вместо обычного метацентрика jl или гетерозиготы jl/j, l, встречающейся с низкой частотой в по пуляциях S. araneus вне связи с расой. В кариотипе одного гибрида с типичной мейотиче ской конфигурацией CXI идентифицированы 2 новых метацентрика, не свойственные ка риотипам рас Селигер или Москва (hm, nq). Такой вариант мог возникнуть вследствие пе рестройки типа полноплечевого обмена плеч (WART). Еще у одного гибрида F1 выявлен метацентрик bc и два акроцентрика b и c. Центрическое разделение этого инвариантного метацентрика отмечено у S. araneus впервые.
Появление акроцентриков у Робертсоновских гетерозигот - один из хорошо известных феноменов гибридных зон у S. araneus (Searle, Wjcik, 1998), сглаживающих негативные последствия комплексной гетерозиготности гибридов. Не исключено, что с эффектом гибридной зоны можно связать и гетерозиготность тех хромосом, которые не имеют расо диагностического значения (jl, bc).
Пространственное распределение частот кариотипических вариантов.
В зоне контакта раса Селигер подходит к территории межозерного перешейка с се вера, а раса Москва с юга и юго-запада (рис. 1).
Рис. 1. Карта зоны контакта двух хромосомных рас S. araneus. Распределение частот на территории 1515 км показано секторами белого цвета (раса Селигер), черного (Моск ва) и серого (гибриды). Sl – типовой локалитет расы Селигер, Mo – первая точка обнару жения расы Москва в зоне контакта (Bulatova et al., 2000). Центральная ось гибридной зо ны обозначена сплошной линией, параллельные линии пунктиром разделяют 8 подзон.
Перпендикуляр со стрелками – линия трансекта (10 км). Пять локалитетов (1, 4, 21, 29, 31) расположены за пределами фрагмента карты.
Впервые было показано распространение обеих рас за Верхневолжскими озерами (прав. бер. русла Волги), где их ареалы находятся в том же отношении друг к другу, как и на левом берегу русла Волги. Исследование распределения частот проведено в основной части изученной гибридной зоны на перешейке между оз. Стерж и Селигер.
Пространственное распределение частот 3 основных кариотипических вариантов (расы Москва, Селигер и гибриды) показано на карте (см. рис. 1). По крайним точкам на ходок рас Москва и Селигер можно условно провести центральную линию гибридной зо ны как равноудаленную от них прямую. Эта линия совпадает с кратчайшим расстоянием межозерного перешейка, а с каждой стороны от нее в выборках преобладают особи только одной из рас.
Перпендикулярно центральной линии на карте был проведен трансект длиной 10 км, пересекающий пространство находок хромосомных рас с северо-запада на юго-восток (рис. 1). Для формирования выборок и удобства расчетов пространство по 5 км с каждой стороны от центральной линии было разделено на 4 равные полосы (подзоны) шириной 1,25 км, которые пронумерованы с севера на юг от 1 до 8. Центральная линия проходит между подзонами 4 и 5.
Анализ распределения частот встречаемости кариотипических вариантов по подзо нам показывает, что комплексные гетерозиготы – межрасовые гибриды первого поколе ния встречаются на территории межозерного перешейка лишь в узкой полосе, шириной не более 4 км (рис. 1). В пределах этой узкой зоны интерградации хромосомных рас Москва и Селигер гибридные кариотипы отмечены только совместно с одной или обеими роди тельскими расами. В двух центральных подзонах (4 и 5) доля гибридов достигает макси мальных значений 18 и 26%, соответственно, с преобладанием к северу от центральной линии расы Селигер (69%), а к югу - расы Москва (50%) (рис. 2).
Доля, % 0 1. 5 3.75 2.5 1.25 2.5 3.75 Дистанция, км раса Селигер Гибриды раса Москва Рис. 2. Распределение частот кариотипических вариантов в гибридной зоне. Сплош ная линия обозначает центральную линию гибридной зоны.
ГЛАВА 5. ОЦЕНКИ ПРИСПОСОБЛЕННОСТИ ГИБРИДНОГО ПОТОМСТВА Вероятность скрещивания и выживание гибридов.
Расчет ожидаемых частот встречаемости гибридов в зоне интерградации (подзоны 3–6) по уравнению Харди-Вайнберга для свободного скрещивания показал, что фактиче ское число гибридов почти в два раза меньше ожидаемого (табл. 3).
Для объяснения таких различий рассмотрена гипотеза об ассортативности скрещи вания родительских рас. При исключении из скрещивания «аллелей» самцов расы Селигер или расы Москва совпадение с фактическими частотами возрастает, причем наиболее ве роятно исключение самцов расы Москва (табл. 3).
Таблица. 3. Фактические и ожидаемые частоты обнаружения рас Москва (Mo), Се лигер (Sl) и гибридов в зоне интерградации (суммарно по подзонам 3-6).
Ожидаемые частоты Фактические Кариотип для свободного для исключения для исключения частоты скрещивания самцов Sl самцов Mo Селигер 124 117 134 Москва 79 64 76 Гибриды 37 59 30 2 16.9 2.39 0. df 2 2 P 0.0003 0.301 0. Одной из причин отклонения фактической частоты встречаемости гибридов от ожи даемой при свободном скрещивании может служить их пониженная выживаемость по сравнению с родительскими расами. Для того чтобы проверить это предположение, про ведено сравнение соотношения особей разных рас и гибридов в выборках внутри подзон и 5, т.е. в самом центре гибридной зоны, осенью предыдущего (2005 г., в конце сезона размножения) и весной последующего года (апрель 2006 г., перед началом размножения).
Соотношение кариотипических вариантов в выборках после перезимовывания практиче ски не изменилось (табл. 4, 2=.0947;
P 0.953).
Таблица 4. Соотношения частот рас Селигер, Москва и гибридов в центре гибридной зоны (подзоны 4 и 5) до и после перезимовывания.
Распределение частот Кариотип осень весна N % N % Селигер 79 57 12 Москва 32 23 5 Гибриды F1 28 20 4 Всего 139 100 21 Известно, что основное падение численности S. araneus происходит в зимний пери од, когда конкурентные отношения наиболее обострены (Churchfield, 1990). Полученные результаты позволяют говорить о том, что конкурентные возможности обеих рас и их гибридов, по-видимому, сходны.
Вероятность возвратных скрещиваний.
При возвратном скрещивании гибридов F1 с гомозиготами родительских рас невоз можно определить поколение F2, т.к. в кариотипах F1 содержится по полному гаплоидно му набору каждой из рас и, следовательно, при скрещивании образуются кариотипы дру гих гибридов F1 или чистых рас (Mo или Sl). Является ли конкретная особь продуктом возвратного скрещивания (тем самым, свидетельствуя, что гибриды F1 фертильны), мож но определить только благодаря Робертсоновскому полиморфизму в родительских карио типах. Обнаружено два варианта рекомбинантных кариотипов (табл. 2), которые можно объяснить результатом возвратных скрещиваний гибридов с простыми гетерозиготами обеих рас. В одном из них (В1) кариотип gm, o/on/nh/hi/ik/kr/rp/pq/q происходит от скре щивания гибрида F1 в двух поколениях – сначала с простой гетерозиготой m/q (раса Сели гер), а их потомка - с гомозиготой gm (Bulatova et al., 2007). Другой пример рекомбинант ного кариотипа hn, ik, o, g/gm/mq/qp/pr/r (В2) ведет происхождение от гомозиготы расы Селигер и гибрида F1, который, в свою очередь, произошел от скрещивания расы Селигер с гетерозиготой k/r расы Москва (Bulatova et al,. 2007). Полиморфизм k/r расы Москва не был нами обнаружен, однако его можно предсказать при реконструкции рекомбинантного кариотипа.
Расчет вероятности обнаружения подобных рекомбинантов, исходя из числа про стых гетерозигот обеих рас, способных маркировать рекомбинантные кариотипы (N=21), и гибридов F1 (N=38) во всей популяции (N=303) показывает, что фактическое число осо бей (N=3) соответствует ожидаемому для свободного скрещивания (2 = 0.303;
P 0.85) Мейоз.
На мейотических препаратах, полученных из содержимого семенных канальцев, у всех без исключения самцов были обильными сперматозоиды. У всех пяти кариотипиче ских вариантов отмечен полный спектр фаз первого деления мейоза и ожидаемые мейоти ческие конфигурации – половой тривалент XY1Y2, типичный для вида, аутосомные бива ленты у гомозигот рас Москва (2NA=18) и Селигер (2NA=20), а также присутствие ауто сомных тривалентов у гетерозигот расы Селигер – m/q (2NA=21) и g/o (2NA=19). На ста дии диакинез - метафаза I число фигур полностью соответствовало кариотипическому статусу особи (табл. 5, рис. 3, А-Е). У двух гибридных самцов (2NA=19) обнаружена тео ретически ожидаемая и ненарушенная мейотическая конфигурация в виде цепи CXI (всего проанализировано 29 и 57 клеток, соответственно). Не было обнаружено ассоциаций гиб ридной цепи и полового тривалента между собой или любыми аутосомными конфигура циями (бивалентами или тривалентами), которые могли бы нарушать ход мейоза.
Таблица 5. Цитогенетическая характеристика кариотипических вариантов в гиб ридной зоне (апрель 2006). СК – изучение синаптонемного комплекса на стадии пахите ны;
MI – число фигур на стадии диакинеза-метафазы I. Б – аутосомные биваленты, ТР – аутосомный тривалент, CXI – цепь из 11 элементов, ПТР – половой тривалент (XY1Y2), СП - сперматозоиды.
№ Анализ мейоза Раса Кариотип точки ПТР СП СК MI 9Б Mo gm,hi,kr,no,pq 22, 29 + + 10 Б Sl g,hn,ik,mq,o,pr 23-28 + + 9 Б +1 ТР Sl m/q g,hn,ik,m/q,o,pr 24 + + 8 Б +1 ТР Sl g,o/go g/o,hn,ik,mq,pr 24 + + 4 Б +CXI F1 g/gm/mq/pq/pr/kr/ik/hi/hn/no/o 22,23,27 + + 4 Б +CXI F1 (hm,nq) g/gm/mh/hi/ik/kr/rp/pq/nq/no/o 28 + + + Электронно-микроскопическое исследование мейотических делений в распластан ных клетках сперматоцитов I порядка на стадии пахитены у гибрида F1(hm,nq) обнаружи вает упорядоченное формирование осевых элементов и синопсис хромосом, составляю щих цепочку CXI (g/gm/mh/hi/ik/kr/rp/pq/qn/no/o). Образование синаптонемных комплек сов (СК) наблюдалось также вдоль всей длины аутосомных бивалентов (bc, af, tu, jl) и по лового тривалента (XY1Y2) без видимых участков асинапсиса (рис 3, 1-4).
Глава 6. РОЛЬ ВНЕШНИХ И ВНУТРИПОПУЛЯЦИОННЫХ ФАКТОРОВ В ПОДДЕРЖАНИИ КОНФИГУРАЦИИ ГИБРИДНОЙ ЗОНЫ Ширину и конфигурацию «зон напряжения» определяет соотношение между давле нием отбора против гибридов с пониженной приспособленностью и расселением особей (Hewitt, 1988). Поскольку в гибридной зоне хромосомных рас Москва и Селигер нами не обнаружено признаков пониженной приспособленности гибридов, то ее конфигурация может определяться факторами, ограничивающими расселение и, соответственно, распро странение зоны интерградации родительских рас. К числу таких факторов относятся как внешние (экологические), так и внутрипопуляционные.
Рис. 3. Мейотические конфигурации у S. araneus. Диакинез-метафаза I у гомозиготы расы Селигер (А), гетерозигот расы Селигер m/q (Б) и g/o (В), гомозиготы расы Москва (Г), гибрида F1 (Д) и варианта гибрида F1 (hm, nq) (Е). Черные стрелки указывают на ау тосомные триваленты (m/q, g/o). Белые стрелки – цепочка CXI. Звездочкой обозначен по ловой тривалент. 1 - Синаптонемные комплексы (СК) хромосом гибрида F1(hm,nq) на ста дии пахитены. 2 – СК аутоcомных бивалентов, соответствующих хромосомам bc, af, tu, jl.
3 - схема синапсиса, 4 – СК 11 хромосом, составляющих цепочку CXI. XY1Y2 – половой тривалент. Масштабная линейка 1 µ.
Экологические факторы.
Экологические факторы могут ограничивать ширину гибридной зоны в том случае, если расы различаются по своим экологическим предпочтениям, а в зоне контакта проис ходит резкая смена условий среды (Hewitt, 1988). Таким экологическим барьером на пути распространения рас и расширения зоны интерградации могут служить межрасовые раз личия в биотопических предпочтениях в зоне контакта.
Биотопическая структура зоны контакта. Геоботаническое дешифрирование космиче ского снимка зоны контакта хромосомных рас Москва и Селигер позволило выделить основных типов местообитаний: 1) сосново-еловые разнотравно-папортниковые зелено мошные леса;
2) мелколиственные разнотравные леса;
3) сфагновые болота с сосной;
4) зарастающие кустарниками луга и залежи;
5) разнотравно-злаковые сенокосные луга. Со отношение биотопов по обе стороны от центральной линии - сходны (рис.4).
60% Площадь, % 40% 20% 0% 1 2 3 4 Биотопы раса Селигер раса Москва Рис. 4. Соотношение основных типов местообитаний в зоне контакта хромосомных рас обыкновенной бурозубки Москва и Селигер. Обозначения биотопов 1 – 5 в тексте.
Соотношение разных биотопов на территориях расы Москва и Селигер не различа лось и основную долю составляли еловые и мелколиственные леса. Индексы разнообразия местообитаний также оказались сходными и низкими (индекс разнообразия Симпсона со ставил, соответственно 2.3 и 2.4, а индекс Шеннона – 1.03 и 1.06), указывая на одинако вую структуру местообитаний в зоне контакта.
Биотопическое распределение бурозубок. Ограничение ширины гибридной зоны и ее локализация могут быть связаны с так называемыми «ловушками плотности» (“density traps”) - локальными понижениями плотности населения контактирующих рас (Hewitt, Barton, 1980). Такие «ловушки» могут возникать и ограничивать распространение гибрид ной зоны, если условия в зоне контакта не отвечают в полной мере экологическим требо ваниям обеих рас, в результате чего их локальная численность оказывается низкой.
Многолетние данные по учетам численности S. araneus на стационаре не демонстри руют существенных изменений плотности населения в разных биотопах (Щипанов и др., 2008), что указывает на отсутствие строгих требований у этого вида к выбору местооби таний, подтверждая представления о его эвритопности. Среди 6 различных биотопов, 4 из которых являются фоновыми также и для гибридной зоны (рис. 5.), наименьшей числен ностью обыкновенных бурозубок характеризуются 2 типа местообитаний - сосняк сфаг ново-долгомошный (15.8±2.4 оседлых особей на 100 лов.) и ельник долгомошный (18.2±3.5). В местах с развитым травяным покровом численность зверьков выше и прак тически не различается по биотопам. Так, в сосняке папоротниково-разнотравном она со ставляла 24.4±3.9, в ельнике разнотравно-папоротниковом зеленомошном – 23.3±3.4, в мелколиственном разнотравном лесу – 27.3±2.8, а на злаково-разнотравном лугу – 28.6±12.9 (рис. 5).
сосняк сфагново долгомошный злаково- ельник долгомошный разнотравный луг сосняк мелколиственный папоротниково разнотравный лес разнотравный ельник разнотравно папоротниковый зеленомошный Рис. 5. Средняя многолетняя численность обыкновенных бурозубок в период сезон ного максимума (август) в различных местообитаниях на стационаре (серый много угольник). Сектор с точками объединяет фоновые местообитания в гибридной зоне.
Непосредственно в гибридной зоне, как чистые расы, так и гибриды заселяли совме стно все доступные биотопы. Анализ их распределения на трансекте, пересекающем набор из 6 микростаций, не выявил достоверных отклонений от идеального свободного распре деления, ни у одной из чистых рас, ни у гибридов, указывая на их одинаково низкую био топическую избирательность.
Такая эвритопность бурозубок указывает на то, что в пределах зоны контакта на фо не относительно однородных условий локальная плотность S. araneus меняется лишь не значительно. Кроме того, местообитания, в которых можно ожидать пониженную числен ность обыкновенных бурозубок (сфагновые сосняки и болота), занимают небольшую площадь и расположены пятнами, а центральная линия зоны интерградации двух рас про ходит по территории, занятой биотопами (все варианты ельников и мелколиственные раз нотравные леса), в пределах которых нет оснований ожидать значительных перепадов численности обыкновенных бурозубок. Таким образом, в зоне контакта не возникает ус ловий для локального понижения численности землероек, которое могло бы препятство вать экспансии рас и расширению зоны интерградации за счет эффекта «ловушки плотно сти».
Антропогенные преграды. На территории зоны контакта имеются дороги с асфаль товым и грейдерным покрытием, которые могли бы являться препятствием, способным ограничивать взаимопроникновение двух рас. Как выяснилось, лишь на небольшом участ ке, 1/5 своей длины, центральная линия гибридной зоны совпадает с полотном грейдерной дороги, при этом обе расы и гибриды встречаются с обеих сторон от нее, причем только в той ее части, которая совпадает с кратчайшей прямой между озерами. Там, где дорога от клоняется от прямой, ее направление и курс гибридной зоны расходятся. Такая минимиза ция длины гибридной зоны является одной из основных характеристик зоны напряжения (Hewitt, Barton, 1985).
Таким образом, локализация гибридной зоны рас Москва и Селигер не обнаруживает непосредственной связи с такими природными экологическими факторами, как особенно сти биотопического распределения обыкновенных бурозубок или их численность, а также антропогенным фактором (автомобильные дороги).
Расселение как популяционный фактор, определяющий ширину гибридной зоны На фоне отсутствия заметных экологических барьеров распространение рас и рас ширение зоны интерградации могут быть обусловлены внутрипопуляционными фактора ми и/или межпопуляционными взаимодействиями. Так, при сходстве экологических по требностей взаимодействующих форм (к которым, несомненно, относятся расы одного вида), наличие конкуренции между ними при условии фиксированных (небесконечных) дистанций расселения ограничивает расширение зоны интерградации даже при отсутст вии пониженной приспособленности гибридов и ассортативного скрещивания (Грабов ский, 1997). Дистанции, темпы и уровень расселения, характеризующие миграционную активность, или «нерезидентность» (Щипанов, Купцов, 2004), во многом определяются внутрипопуляционными факторами: локальной плотностью, насыщенностью местообита ний, наличием вакантных участков и/или половых партнеров, социальной активностью (Brandt, 1992;
Lidiсker, 1992). Понятие «нерезидентность» поэтому гетерогенно и объеди няет такие явления, как собственно расселение (перемещение от места рождения к месту размножения), экскурсии (временные выходы за пределы индивидуального участка), пе реселение (переход с одного участка на другой) и перемещение без установления рези дентности (номадность) Проявления нерезидентности у обыкновенных бурозубок. Для получения данных о нерезидентности бурозубок было важно дифференцировать особей на оседлых (резидент ных) и мигрирующих (нерезидентных). Участок отдельной особи обыкновенной бурозуб ки был разделен на несколько зон: 2s (ширина, равная одному стандартному отклонению в обе стороны от арифметического центра участка) – зона высокой активности, 2s-4s – регу лярной и 4s-6s – низкой активности зверьков. Распределение регистраций зверьков по разным зонам участка хорошо совпадало с ожидаемым нормальным распределением. В этом случае ожидаемое количество обнаружений особи за пределами пространства 6s (полного участка) должно быть менее 1%. Фактически за все время наблюдений обнару жение зверьков за пределами этого пространства зарегистрировано в 5.5% от общего чис ла регистраций. Дистанции перемещений обыкновенных бурозубок между последова тельными поимками за пределами зоны 6s, которые рассматривали как проявления случа ев нерезидентности, варьировали от 60 до 1600 м.
Дистанции расселения обыкновенных бурозубок зависят от изменений плотности популяции в различные годы (Щипанов и др., 2008). Показано, что средние дистанции расселения минимальные в годы пиковой численности - 45±2 м, при средней плотности они составляют 84±4 м, а при депрессии - 153±10 м. При этом средние дистанции рассе ления самок сеголеток больше (66.4 ±25.6), чем самцов 52.8±19.9 м. Однако, весной, к мо менту созревания, самцы как минимум в 5 раз (самки в 1.6 раза) увеличивают свой уча сток (табл. 6). Неоднократно у перезимовавших самцов были отмечены перемещения на расстояния более 700 м (Shchipanov et al., 2005), а максимально зарегистрированная дис танция между последовательными поимками составила 1579 м.
Дистанции расселения вместе с расширением участков весной определяют про странство вероятного свободного скрещивания зверьков. Можно предполагать, что особь S. araneus способна передавать свои гены в пространстве радиусом почти 2000 м от места ее рождения.
Таблица 6. Размеры участков (м) обыкновенных бурозубок в августе.
Среднее по Среднее Максимальные Демографическая крайним квадратичное по крайним N 4s 6s группа точкам отклонение, s точкам отловов отловов Сеголетки 157 30.0+12.7 11.2+4.8 45.0 66.8 60. Самки перезимо- 61 47.9+21.0 18.7+8.2 75.1 112.7 105. вавшие Самцы перезимо- 83 131.5±97.0 50.2+35.7 200.9 301.4 367. вавшие Как количественные (дистанция перемещений и доля нерезидентов), так и качест венные (состав нерезидентов) характеристики нерезидентного населения меняются в зави симости от насыщенности социальной среды. Когда насыщенность социальной среды наиболее высока, зверьки вытесняются с участка. Особенности бурозубок таковы, что со циальная активность при этом возрастает (Калинин, Щипанов, 2003) и у расселяющейся части населения не менее высока, чем у оседлой. В итоге расселяющиеся зверьки оказы ваются социально зависимыми и стремятся найти свободный участок, ближайший к на тальному, распределяясь «спирально» по модели Васера (Waser, 1985).
При низкой насыщенности социальной среды расселение не является вынужденным.
Расселяющиеся зверьки попадают в социальный вакуум, и их социальная активность еще более понижается. Они перемещаются в случайном направлении: «по прямой» до первого пригодного участка (модель Мюррея) (Murray, 1967).
Мы допускаем, что соотношение особей, расселяющихся «по спирали» (модель Ва сера) и по прямой (модель Мюррея), может быть различным в центре (насыщенная среда) и на периферии (ненасыщенная среда) популяции. Действительно, в центре популяции распределение фактических дистанций расселения в большей степени соответствует мо дели Васера, а на периферии популяции – модели Мюррея (рис. 6).
Прямой поиск Мюррея определяется в основном конкурентными отношениями:
особь сохраняет участок до тех пор, пока его привлекательность выше, чем давление кон куренции (Waser, 1985). При такой ситуации вероятность вселения из периферии в насы щенные в центральные области низка. Такая особенность расселения может являться фак тором, препятствующим свободному переходу особей из одной популяции (из перифе рийной ее части) в соседнюю (в центральную ее часть). Если дистанции вероятного гене тического взаимодействия позволяют оценить допустимую ширину гибридной зоны как расстояние между наиболее удаленными местами возможного образования гибридов, то для симуляции распределения частот встречаемости кариотипических вариантов в гиб ридной зоне наиболее значимы вероятные дистанции, на которое будет расселяться раз личное количество потомков. Такие дистанции могут быть вычислены на основе уравне ний Мюррея и Вассера, что позволяет симулировать распределение частот родительских рас и гибридов в зоне контакта при разных типах и показателях расселения и сравнить по лученные распределения с фактическим.
Центр популяции Число участков 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Дистанция, N диаметров участков Периферия популяции Число участков 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Дистанция, N диаметров участков Рис. 6. Распределение центров активности сеголеток обыкновенных бурозубок в цен тральной части и на периферии популяции. Фактические данные – столбики. Сплош ные линии – распределение Васера для t=0,3;
пунктирные – распределение Мюррея для t=0,5.
Симуляция распределения обыкновенных бурозубок разных рас и гибридов в зоне контакта (Щипанов и др., 2008а). Полученные популяционные характеристики составили ряд основных посылок для симуляции распределения частот встречаемости родительских рас и их гибридов в пространстве зоны контакта при различных типах расселения.
Условия модели. Все пространство в зоне контакта рассматривается как ряд ячеек с диаметром, равным одному шагу расселения за пределы участка: 2s – два диаметра зоны высокой активности сеголеток (22,4 м, для удобства расчетов округлен до 25 м). Сеголе ток, собравшихся в каждой ячейке пространства, мы рассматривали как пул особей, в ко тором и осуществляются конкурентные взаимодействия. Локальный пул формируется как за счет выживших и оставшихся потомков живущей здесь самки, так и за счет пришедших в него потомков других самок.
Вероятность присутствия самки той или иной расы в локальном пуле выражена в до лях от единицы. Минимальная и наиболее стабильная численность обыкновенных бурозу бок наблюдается весной, достигает своего пика к августу, а затем начинает неуклонно снижаться (табл. 7), что дает основание предполагать, что отбор особей происходит в пе риод между сезонным пиком и сезонным минимумом. Поэтому мы принимаем весеннюю численность за единицу и допускаем, что вероятность выживания потомков самок различ ных рас (учитывая сходную выживаемость чистых рас и гибридов) пропорционально их осенней доле в населении в каждой ячейке пространства.
Таблица 7. Сезонная динамика численности обыкновенных бурозубок. Объединенные данные за 1995-2006 г.г. (Щипанов и др., 2008а).
Популяционные Март- Октябрь Июнь Июль Август Сентябрь характеристики Апрель Ноябрь Многолетняя средняя численность (оседлых 6.6+0.4 9.4+1.2 11.9+1.8 19.5+3.8 16.8+4.6 12.4+2. на линию 100 лов.) 0.19 0.40 0.40 0.62 0.55 0. CV Кратность изменения численности 1.73 3.60 3.33 7.82 3.33 2. (max/min) Расчет присутствия в пулах особей различных рас и их гибридов. Для расчета долей потомков самок различных хромосомных рас в локальных пулах использовали коэффици енты вероятности сохранения натального участка (t, величина обратная вероятности рас селения) из моделей Васера и Мюррея в разном сочетании в зависимости от проверяемой гипотезы.
Для моделей, описывающих расселение по спиральному поиску Васера, вероятность появления потомков самок разных рас рассчитана по уравнению:
Ni=0,30Ni+0,62Ni-1+0,62Ni+1+0,08 Ni+2+0,08Ni-2, (1) где Ni - частота самок определенной расы в i ячейке, i - порядковый номер ячейки, а коэффициенты взяты из уравнения Васера для t=0,3, при котором эта модель наилучшим образом описывает распределение дистанций расселения в центральных частях популяци онного пространства.
Доли самок (F) соответствующей расы рассчитаны по формулам:
Fai= Nai/(Nai+ Nbi), (2) Fbi=1 - Fai, (3) где Fai доля самок расы а, а Fbi - расы b.
При расчете долей гибридов и долей особей разных рас в целом важно учесть веро ятность присутствия в ячейке самцов. Выше показано (табл. 6), что самцы бурозубок, пе резимовав, значительно, как минимум в 5 раз расширяют свой участок. С учетом увеличе ния участка перезимовавшими самцами эффективную дистанцию расселения самцов уве личивали в 5 раз:
Mai=0,30Nai+5+0,30Nai-5+0,62Nai+1 i+6+0,08Nai-2:i-7+0,62Nai-1:i-6+0,08Nai+2:i+7(4) где Ma частота самцов расы а в ячейке i, Nai - доля самок расы а в i ячейке, i - поряд ковый номер ячейки, коэффициенты рассчитаны по уравнению Васера для t=0,3.
Доли самцов в общем населении рассчитаны по формулам:
Lai= Mai/( Mai + Mbi +Nai+ Nbi), (5) Lbi=1 - Lai, (6) где Lai доля самцов расы а, а Lbi - расы b.
В тех моделях, где анализировали эффект расселения по типу прямого поиска Мюр рея, использованы коэффициенты, рассчитанные по уравнению Мюррея для t=0,5 - значе нии, при котором эта модель наилучшим образом описывает распределение дистанций расселения на периферии популяции. Для самцов расширение участка учтено так же, как и в уравнении 4. В обобщенном виде присутствие особей разных рас в ячейке рассчитано по уравнению:
Ni=0,5Ni+0,25Ni-1+0,25Ni+1+0,13Nai-2+0,13Ni+2+0,06Ni-3+0,06Ni+3+0,03Ni-4+ 0,03Ni+4+0,02Ni-5 +0,02Ni+5+0,01Ni-6+0,01Ni+6. (7) При расчете долей гибридов в локальном пуле использовали уравнение Харди Вайнберга, учитывая соотношение самцов и самок разных рас в предшествующем поко лении и ассортативность выбора самок обеих рас при скрещивании в пользу самцов расы Селигер (обоснование приведено в главе 5).
Проверка гипотез. Распределение особей рас Москва, Селигер и гибридов по ячей кам трансекта (всего 400 ячеек) было рассчитано в долях для 2000 последовательных по колений. Симулированные частоты особей различных рас и гибридов суммировали внут ри каждой подзоны (одна подзона равна 1,25 км трансекта) и рассчитывали их долю от суммы частот в этой подзоне. Совпадение оценивали по сумме абсолютных значений раз ницы долей симулированного и фактического распределения каждой расы и гибридов по всем 8 подзонам.
В данной работе мы ограничились симуляциями для трех гипотез:
1) расселение повсеместно проходит по принципу спирального поиска Вассера;
2) расселение повсеместно проходит по принципу прямого расселения Мюррея;
3) расселение каждой из рас до середины зоны интерградации (±1 подзона от центра) про ходит по принципу спирального расселения Васера, а далее сменяется прямым поис ком Мюррея.
В первом варианте совпадение между фактическими и симулированными частотами родительских рас и гибридов по 8 подзонам наблюдается в относительно короткий отре зок времени, между 200 и 400 поколениями, в дальнейшем эта разница нарастает (рис. А, Г).
Во втором варианте симуляции хорошее совпадение фактических и симулированных данных наблюдается в относительно короткий отрезок времени, однако затем начинает отклоняться, и к 2000 поколению различия даже больше, чем при расселении по модели Васера (рис. 7 Б).
В третьем варианте симуляции хорошее совпадение наблюдается, начиная с 200-го (после встречи) поколения, и в дальнейшем это совпадение сохраняется, по меньшей мере, до 2000-го поколения, причем, судя по тенденции изменения суммы различий, можно ожидать, что совпадение сохранится и в дальнейшем (рис. 7 В, Г).
Таким образом, наиболее вероятной гипотезой образования и длительного поддер жания курса гибридной зоны является последняя, третья гипотеза, предполагающая, что каждая из рас меняет тип расселения со спирального поиска на своей территории на пря мой поиск за пределами своей территории, т.е. на территории соседней расы.
А 100% 80% Доля 60% 40% 20% 0% 1 2 3 4 5 6 7 Б Подзоны 100% 1 2 3 4 5 80% Доля 7 8 9 10 11 60% 40% 20% 0% 1 2 3 4 5 6 7 В Подзоны 100% 1 2 3 4 5 6 80% 8 9 10 11 Доля 60% 40% 20% 0% 1 2 3 4 5 6 7 Подзоны 1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 Г 5, абсолютных различий Сумма 4, 3, 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 Поколения -1 -2 - Рис. 7. Присутствие рас Селигер, Москва и гибридов F1 в долях на трансекте через гибридную зону: расселение рассчитано по модели Васера (А), по модели Мюррея (Б), для изменения типа расселения Васера на тип расселения Мюррея за пределами террито рии расы (В). Вертикальный пунктир - место смены типа расселения (номера подзон по рис. 1). Фактическое распределение долей гибридов (1), расы Селигер (2) и расы Моск ва(3). Симулированное распределение долей гибридов (4-6), расы Селигер (7-9) и расы Москва (10-12) для 20-го, 200-го и 2000 поколений после встречи. Г) сумма абсолютных различий симулированного и фактического распределения особей для расселения по Ва серу (1), Мюррею (2) и для смены типа расселения (3) в зоне интерградации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Гибридные зоны между хромосомными расами обыкновенной бурозубки многочис ленны и представляют собой источник разнообразного природного материала для изуче ния роли хромосомных перестроек в видообразовании (Searle, Wjcik, 1998). Высоким уровнем хромосомных различий, сравнимых с межвидовым для S. araneus – S. antinorii, является новая гибридная зона рас Москва и Селигер, открытая в центре Европейской России. Низкая частота гибридов указывает на принадлежность этой гибридной зоны к категории напряженных зон (Bulatova et al., 2007). Гибриды F1 между хромосомными ра сами Москва и Селигер являются комплексными Робертсоновскими гетерозиготами, ко торые должны формировать цепь CXI в первом делении мейоза. Однако цитогенетиче ский контроль гибридной зоны Москва – Селигер (Павлова и др., 2007) не выявляет нару шений, которые могли бы возникать у гибридов с самой длинной для хромосомных рас обыкновенной бурозубки и теоретически нестабильной мейотической конфигурацией це пи. Несмотря на то, что кариотипические различия двух рас максимальны по числу хро мосомных перестроек, они не могут быть причиной для исключения гибридов из размно жения. Впервые проведенная оценка вероятности выживаемости гибридов не обнаружи вает значимых различий у гибридов в сравнении с родительскими расами (Щипанов, Пав лова, 2007). Расчеты вероятности образования гибридных особей показывают, что расхо ждение фактической и ожидаемой частот гибридов может быть связано с ассортативно стью скрещиваний (Щипанов, Павлова, 2007). Результаты проведенного исследования не выявляют признаков, которые однозначно указывали бы на неприспособленность (unfit ness) гибридного потомства хромосомных рас Москва и Селигер.
Возникновение напряженных гибридных зон связывают с генной или геномной не совместимостью, что позволяет игнорировать экологические различия гибридизирующих рас (Hewitt, 1988). Сам термин “tension zone” ведет происхождение от характерной для этих зон тенденции минимизировать свою длину (Barton and Hewitt 1985). Тенденция к вытеснению гибридов в районы с пониженной популяционной плотностью является еще одним свойством напряженных зон (Barton and Hewitt, 1985). В результате, курс гибрид ной зоны может пересекать курсы экотонов (Hewitt, 1988). В нашем случае, длина грани цы минимизирована и пересекает курсы экотонов, как это и предсказано для напряженных зон. На протяжении всей границы фоновыми являются местообитания со средней и высо кой плотностью обыкновенных бурозубок. Таким образом, для объяснения курса и огра ниченной ширины гибридной зоны (не более 4 км) нельзя привлечь гипотезу «ловушек плотности». Мы предположили, что ограниченная ширина и минимизация длины гибрид ной зоны может быть связана с ограничениями в расселении, которые определяются внут рипопуляционными причинами. Наиболее вероятной оказалась гипотеза образования и длительного поддержания курса гибридной зоны Москва-Селигер за счет смены типа рас селения со спирального поиска на своей территории на прямой поиск на территории со седней расы (Щипанов и др., 2008а).
ВЫВОДЫ 1. Гибридная зона между расами Москва и Селигер характеризуется максимально воз можными для хромосомных рас S. araneus кариотипическими различиями, затраги вающими все 11 диагностических хромосом.
2. Гибридная зона узкая, менее 4 км, имеет минимальную протяженность, не обнаружи вает связи с экотонами, и по этим признакам ее можно характеризовать как напряжен ную зону.
3. Напряженная зона между расами Селигер и Москва обнаруживает бимодальную структуру с существенным преобладанием родительских рас. Частота встречаемости гибридов ниже, чем при свободном скрещивании.
4. Пониженная частота встречаемости гибридов F1 связана не с их меньшей жизнеспо собностью, а с ассортативным скрещиванием рас Москва и Селигер. С большей веро ятностью из скрещивания исключены самцы расы Москва.
5. Формирование самой длинной из возможных мейотических конфигураций цепи (CXI) у самцов F1 не нарушает регулярность протекания мейоза. Случаи возвратных скре щиваний обнаружены в природной популяции и, следовательно, существует вероят ность успешного размножения гибридов.
6. Гибридная зона рас Москва и Селигер не может поддерживаться за счет пониженной приспособленности гибридов, как это предсказывается теоретически для типичных зон напряжения, которые поддерживаются отбором против гибридов с пониженной при способленностью.
7. Ограниченная ширина гибридной зоны рас Москва и Селигер не определяется наличи ем физических барьеров или биотопических различий, способных ограничить переме щения обыкновенных бурозубок.
8. В отсутствии внешних преград, ограничивающих расселение, а также явных признаков пониженной приспособленности гибридов, устойчивая локализация узкой гибридной зоны может поддерживаться за счет смены типов расселения S.araneus в центре и на периферии гибридизирующих популяций.
Благодарности. Исследования, положенные в основу диссертации, проводились в рамках международного мультидисциплинарного проекта (ИНТАС 03-51-4030), а также при поддержке грантов РФФИ (05-04-49355, 06-04-58835, 07-04-08479), Фонда содействия отечественной науке по программе «Лучшие аспиранты» и Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Биоразнообразие и динамика генофондов».
Я признательна А.А. Калинину, Т.Б. Демидовой, Д.Ю. Александрову, А.В. Купцо ву, В.Ю. Олейниченко за помощь в сборе полевого материала и предоставленную воз можность использования дополнительных данных;
А.В. Чабовскому за консультации и помощь на всех этапах работы;
Б.И. Шефтелю, В.В. Неронову и всем сотрудникам и аспи рантам лаборатории популяционной экологии и лаборатории микроэволюции млекопи тающих за поддержку и участие в обсуждении результатов исследования;
Р.С. Наджафо вой за доброжелательность и помощь при обработке материала. Отдельно хочется побла годарить проф. С.А. Шилову и проф. В.Н. Орлова за предоставленную возможность рабо ты и общения в возглавляемых ими коллективах. За сотрудничество, ценные консульта ции и помощь в работе я благодарна Дж. Сирлу и Р. Джонсу (Йорк, Великобритания), О.Л.
Коломиец (ИОГЕН РАН), А.В. Малашкину (МИЭМ), Е.Ю. Иваницкой (Хайфа, Израиль), а также Е.Ю. Крысанову за возможность использования лабораторного оборудования.
Считаю своим долгом выразить самые теплые слова благодарности всем коллегам родной кафедры зоологии и экологии ПГПУ им. В.Г. Белинского и особенно Н.В. Быстраковой за столь необходимую моральную поддержку, а также помощь по сбору материала. Огром ное спасибо всем родным, близким и друзьям за терпение, помощь и благосклонность к моей работе.
Основные публикации по теме диссертации:
1. Павлова С.В. 2006. Гибридизация восточноевропейских хромосомных рас обыкновен ной бурозубки (Sorex araneus L.) - Mосква и Cелигер. Материалы конференции моло дых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН. Москва: Т-во научных изданий КМК. С.
213-216.
2. Павлова С.В., Быстракова Н.В., Булатова Н.Ш., Наджафова Р.С., Поляков А.В. 2006.
Материалы к кадастру хромосомных рас обыкновенной бурозубки Sorex araneus L. (в пределах России) // Биогеография. Вып. 13. М. С. 42-59.
3. Булатова Н.Ш., Павлова С.В. 2007. Хромосомная раса в эпицентре гибридных зон // Вестник ВОГИС. Том 11. №2. С. 432-435.
4. Bystrakova N., Shchipanov N., Bulatova N., Sheftel B., Nadjafova R., Pavlova S., Demidova T., Bobretsov A., Aleksandrov D., Kalinin A., Kouptsov A., Volkova A., Oleinichenko V., Searle J.B. 2007. New data on the geographic distribution of chro-mosome races of Sorex araneus (Mammalia: Soricidae) in European Russia // Rus. J. Theriol. V. 6. C. 105-109.
5. Павлова С.В., Булатова Н.Ш., Щипанов Н.А. 2007. Цитогенетический контроль гиб ридной зоны двух хромосомных рас Sorex araneus перед сезоном размножения // Гене тика. Т. 43. №12. C. 1619-1626.
6. Щипанов Н.А., Павлова С.В.. 2007. Гибридизация хромосомных рас обыкновенной бу розубки (Sorex araneus L.) Москва и Селигер: вероятность скрещивания и выживание гибридов // Доклады РАН. Т. 417. № 6. C. 847-849.
7. Павлова С.В., Щипанов Н.А. 2007. Расчет вероятности образования гибридов и их вы живание в гибридной зоне двух хромосомных рас обыкновенной бурозубки (Sorex araneus L.) – Москва и Селигер. В сб: Биология насекомоядных млекопитающих. Изд во «ЦЭРИС», г. Новосибирск. С. 93-95.
8. Щипанов Н.А., Купцов А.В., Демидова Т.Б., Калинин А.А., Александров Д.Ю., Павлова С.В. 2008. Нерезидентность у обыкновенных бурозубок (Sorex araneus L.) // Зоол. жур нал. Т. 87. №3.
9. Щипанов Н.А., Булатова Н.Ш., Павлова С.В. 2008а. Может ли изменение типа рассе ления поддерживать независимость генных частот? Распределение обыкновенных бу розубок (Sorex araneus L.) двух хромосомных рас в зоне интерградации // Генетика.
Т.44. №6. С. 727-.
Тезисы докладов:
10. Bystrakova N., Pavlova S., Bulatova N., Kowalskaya Y., Nadjafova R., Demidova T., Shchi panov N.A., Kalinin A., Alexandrov D., Sheftel B., Krysanov E., M. Didorchuk., Poroshin E.
2005. Data on geographic distribution of chromosome races of Sorex araneus in Eastern Europe with special regards to probable contact zones. In: «Evolution in the Sorex araneus group: cytogenetic and molecular aspects». St.Petersburg. P. 43.
11. Чеботарев В.А., Щавелев А.А., Павлова С.В., Малашкин А.В. 2006. Численное модели рование взаимодействия двух хромосомных рас Sorex araneus L. В сб. Биология-наука XXI века: 10-я школа-конференция молодых ученых. Пущино. C. 333.
12. Jones R.M., Pavlova S.V., Shchipanov N.A., Bulatova N.S., Searle J.B. 2006. GIS-mapping the course of the Moscow-Seliger chromosomal hybrid zone in the common shrew (Sorex araneus L.). In: Proceedings & Abstracts of the International Symposium «Information sys tems and WEB-portals on diversity of species & ecosystems». Borok, Russia. P. 227.
13. Pavlova S., Bystrakova N., Kowalskaya Y., Golenishchev F., Bulatova N.. 2006. The bounda ries of some chromosome forms of small mammals in European Russia. In: Hystrix Ital. J.
Mamm. (n.s.) supp. (2006). Parma, Italy. P. 102.
14. Pavlova S., Kolomiets O.L., Bulatova N., Shchipanov N. and Searle J.B. 2007. The longest meiotic chain CXI is the proven case in interracial hybrid males of Sorex araneus. In: Hys trix Ital. J. Mamm. (n.s.) Vol. I, supp. (2007), Siena, Italy. P. 215.