Молекулярная эволюция гольцов рода salvelinus: филогенетические и филогеографические аспекты
На правах рукописи
ОЛЕЙНИК
Алла Геннадьевна
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ГОЛЬЦОВ РОДА SALVELINUS:
ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИЕ И ФИЛОГЕОГРАФИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
03.02.07 – генетика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук
Владивосток – 2013
Работа выполнена в лаборатории генетики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биологии моря им. А.В. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук
Официальные оппоненты:
Картавцев Юрий Федорович, доктор биологических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии моря им. А.В.
Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук, заведующий лабораторией молекулярной систематики Малярчук Борис Аркадьевич, доктор биологических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологических проблем Севера Дальневосточного отделения Российской академии наук, заведующий лабораторией генетики Челомина Галина Николаевна, доктор биологических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Биолого-почвенный институт Дальневосточного отделения Российской академии наук, главный научный сотрудник
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук
Защита диссертации состоится «28» июня 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 005.008.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт биологии моря им. А.В. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук (690059, Владивосток, ул. Пальчевского, д. 17). Факс:
(423)2310-900, электронный адрес: [email protected] Отзывы просим присылать на e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биологии моря им. А.В. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук
Автореферат разослан » марта 2013 г.
«
Ученый секретарь М.А. Ващенко диссертационного совета, кандидат биологических наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Одним из направлений развития современной теории видообразования является обнаружение связи между фенотипической дифференциацией популяций, рас, подвидов и видов с определенными генетическими изменениями Традиционно эволюционная динамика (Левонтин, 1978).
преобразований генотипов и фенотипов описывается в рамках разных разделов эволюционной генетики и на основе разной методологии. Если цели филогенетики сосредоточены в области макроэволюции и касаются выяснения родственных отношений между видами и таксономическими группами, то филогеография в основном концентрируется на анализе микроэволюционных закономерностей на внутривидовом уровне. В то же время, данные научные направления можно рассматривать как части одного непрерывного процесса описания структуры биоразнообразия, при помощи которого определяются границы видов и реконструируются родственные отношения между филогенетическими группами разного ранга.
Филогеография сформировалась в результате синтеза эволюционной, популяционной и молекулярной генетики (Avise et al., 1987;
Avise, 1998, 2000). Часто термин ‘филогеография’ интерпретируют как средство филогенетического анализа данных в контексте географического распространения организмов. Но область исследования, которую представляет филогеография, значительно шире.
Отталкиваясь от работ Ф. Добжанского (Dobzhansky, 1937) и Э. Майра (Майр, 1968), Дж. Эйвис предполагал глубокие эволюционные перспективы филогеографического анализа, считая, что он может стать своеобразным мостом между систематикой и популяционной генетикой (Avise, 2000). Кроме того, понимание микроэволюционных процессов, действующих внутри видов, “можно экстраполировать на объяснение макроэволюционных различий между видами и высшими таксонами” (Avise et al., 1987, р.
489). В этом контексте филогеография является частью филогенетического анализа для тестирования гипотез о родственных отношениях, распределении видов и механизмах видообразования, и такая интеграция имеет большое будущее (Hickerson et al., 2010).
Гольцов рода Salvelinus (Salmoniformes: Salmonidae) можно рассматривать как модельную группу для анализа многих эволюционных проблем (Викторовский, 1978;
Савваитова, 1989;
Глубоковский, 1995;
Taylor, 1999, 2004;
Schaffer, 2004;
Stearns, Hendry, 2004). Высокая экологическая пластичность гольцов позволяет им осваивать самые разнообразные биотопы, что, с одной стороны, порождает значительную морфоэкологическую изменчивость на обширном ареале, а с другой, создает предпосылки для образования различных популяционных систем, представляющих богатый материал для изучения процессов микроэволюции, возникновения биоразнообразия на видовом и внутривидовом уровнях.
Родственные отношения, происхождение и возможные пути эволюции гольцов рода Salvelinus широко обсуждаются (Гриценко, 1975;
Balon, 1980, 1984;
Behnke, 1980, 1984, 1989;
Cavender, 1980, 1984;
Savvaitova, 1980, 1995;
Kendall, Behnke, 1984;
Савваитова, 1989;
Cavender, Kimura, 1989;
Stearley, 1992;
Stearley, Smith, 1993;
Глубоковский, 1995;
и др.).
Тем не менее, несмотря на хорошую морфологическую изученность, многие вопросы систематики и филогении рода остаются невыясненными. В этой связи, молекулярно генетические исследования гольцов, несомненно, представляют интерес, так как позволяют определять генетические различия между популяциями, находящимися на разных уровнях фенотипической дивергенции и, таким образом, способствуют установлению иерархии родственных связей таксонов, их взаимной обособленности, времени возникновения, степени дивергенции от общего предка рода. При этом особое значение приобретают исследования гольцов в местах их симпатрического обитания.
Перспективы решения филогенетических проблем в молодых, близкородственных группах, к которым относятся и гольцы рода Salvelinus, связаны с использованием анализа митохондриального генома. Выбор митохондриальной ДНК (мтДНК) животных в качестве молекулярного маркера был обусловлен предполагаемой селективной нейтральностью (William et al., 1985), гаплоидностью, отсутствием рекомбинаций (Hayashi et al., 1985), малым эффективным размером популяций (Nei, Tajima, 1981), относительно высокой скоростью эволюции, по сравнению с уникальными последовательностями ядерного генома (Brown et al., 1982;
Moritz et al., 1987). Особенности наследования мтДНК, в отсутствии потока генов, приводят к быстрой дивергенции предковых популяций, вследствие короткого времени достижения реципрокной монофилии (Avise, 2000). Интеграция филогенетических и филогеографических подходов позволяет реконструировать последовательности возникновения таксонов и внутривидовых групп, а также оценивать роль исторических событий в формировании внутривидовой дифференциации и межвидовой дивергенции.
Среди биологических проблем, заслуживающих специального рассмотрения, одна из наиболее важных – влияние качественного состава признаков на результаты филогенетических реконструкций. Содержание данной проблемы включает два основных вопроса, касающихся репрезентативности исследуемой ограниченной выборки генетических признаков в отношении всего генома, и соответствия между эволюцией отдельных генов и эволюцией видов. Данные вопросы взаимосвязаны, так как в качестве объектов обычно выступают не группы организмов или таксоны, а отдельные структуры (белки, гены, нуклеотидные последовательности и т.д.), представленные определенным набором признаков. Однако в качестве элементарной единицы сравнения в итоговых гипотезах рассматривается, как правило, один таксон (вид, род и т.д.). Это приводит к серьезным противоречиям при филогенетической интерпретации результатов, так как дивергенция гомологичных генов не всегда отражает филогенетические отношения между видами (Pamilo, Nei, 1988;
Avise, 1989). В результате может возникнуть ситуация, когда на основании корректной (в отношении сравниваемых генов) филограммы, может быть сформулированна некорректная (в отношении исследуемой монофилетической группы таксонов) филогенетическая гипотеза. В настоящее время исследователи пришли к пониманию того, что следует проводить разграничение между “деревьями видов” и “деревьями генов” (Avise et al., 1983;
Pamilo, Nei, 1988;
Wu, 1991;
Doyle, 1992;
Maddison, 1997;
Slowinski, Page, 1999;
Nei, Kumar, 2000;
Nichols, 2001).
Только для некоторых групп, эволюционные характеристики геномов которых хорошо изучены (Cornelli, Ward, 2000;
Arnason et al., 2002;
Ishuguro et al., 2003;
Roques et al., 2006;
Kawahara et al., 2009), выбор генетических маркеров для филогенетического анализа не составляет проблемы. Но для большинства менее изученных таксономических групп (в том числе лососевых рыб) такая информация, несмотря на явный прогресс, наблюдаемый в последнее десятилетие, все же ограничена. Поэтому следует оценивать возможности выявления филогенетического сигнала, так как анализ разных индивидуальных генов часто приводит к филогенетическим реконструкциям с существенно различающимися топологиями (Hillis, Dixon, 1991;
Russo et al., 1996;
Zardoya, Meyer, 1996;
Cornelli, Ward, 2000;
Miya et al., 2001;
Олейник 1994;
Rokas et al., 2002, 2003).
Цель и задачи исследования. Основная цель исследования заключается в разработке фундаментальных вопросов реконструкции филогении гольцов рода Salvelinus, и установлении особенностей эволюции митохондриального генома данной филогенетической группы.
В работе решались следующие задачи:
Определить основные черты популяционно-генетической и 1.
филогеографической структурированности двух таксонов гольцов, исторически заселяющих районы, испытавшие значительное ледниковое воздействие и не подвергавшиеся оледенению. Оценить филогеографическое соответствие генеалогических деревьев гаплотипов мтДНК, построенных для видов лососевых рыб, занимающих общий исторический ареал.
2. Предложить наиболее вероятные эволюционные модели формирования нескольких современных зон симпатрии гольцов на основе статистических оценок подразделенности полиморфизма мтДНК и анализа генеалогий гаплотипов мтДНК.
3. Оценить роль исторических событий в формировании внутривидовой дифференциации и межвидовой дивергенции гольцов рода Salvelinus.
4. Реконструировать филогению мтДНК гольцов рода Salvelinus и сформулировать гипотезу о последовательности филогенетических событий и структуре родственных отношений в рамках анализа генетического сходства по филогенетически информативным признакам.
5. Рассмотреть влияние начальных условий описания таксонов на итоговые филогенетические реконструкции для двух родов лососевых рыб (Oncorhynchus и Salvelinus), оценить применение мтДНК как молекулярного филогенетического маркера для лососевых рыб.
6. На основе синтеза молекулярно-генетических, кариологических и морфологических данных проанализировать существующие взгляды на систему родственных отношений гольцов рода Salvelinus, уточняя при необходимости границы видов.
Научная новизна работы. Впервые определены возможности выявления филогенетического сигнала для разных участков мтДНК и установлены гены, несущие максимальную информацию о филогенезе лососевых рыб.
Разработан оригинальный комплекс молекулярно-генетических маркеров, объединяющий несколько участков мтДНК, для анализа филогенетических отношений и филогеографических связей гольцов рода Salvelinus.
На основе синтеза собственных и литературных данных пересмотрены филогенетические отношения гольцов рода Salvelinus. Уточнен состав монофилетических групп гольцов. Впервые получены доказательства полифилетичности не только арктического гольца S. alpinus, но и мальмы S. malma, которые объединяют таксоны, дивергировавшие в разное время и от разных предковых митохондриальных линий.
Выявлены филогеографические закономерности формирования и расселения монофилетических групп гольцов. Показано, что одним из центров видообразования рода Salvelinus являются Японское море и южная часть Охотского моря.
Обоснованы наиболее вероятные эволюционные модели формирования нескольких симпатрических популяций гольцов северо-восточной Азии, опирающиеся на гипотезу аллопатрического видообразования.
Предложена дисперсалистская модель изоляции и реколонизации из аллопатрических рефугиумов, объясняющая внутривидовую дифференциацию у двух таксонов гольцов – Salvelinus malma malma и Salvelinus malma krascheninnikovi.
В ходе исследования многие данные получены впервые. Проведен анализ рестрикционного полиморфизма нескольких эндемичных популяций гольцов (Олейник и др., 2003, 2004, 2007, 2010;
Олейник, Скурихина, 2007;
Oleinik, Skurikhina, 2010). Получены генетические доказательства близости гольца Леванидова к общему предку рода (Олейник, Скурихина, 1999;
Олейник и др., 2003). Выявлена подразделенность гаплотипов мтДНК на три филогенетические группы, географическое распределение которых соответствует трем подвидам мальмы - S. m.
malma, S. m. krascheninnikovi и S. m. lordi (Олейник и др., 2005). Установлено, что уровень дивергенции нуклеотидных последовательностей мтДНК между подвидами мальмы соответствует различиям между валидными видами гольцов (Олейник и др., 2001, 2002;
Oleinik et al., 2004). На основе анализа мтДНК сформулирована гипотеза о более древнем происхождении S. m. krascheninnikovi (Олейник и др., 2001, 2002).
Показана генетическая идентичность S. m. malma Азии и Северной Америки (Олейник и др., 2005, 2010). Получены данные о вероятной исторической интрогрессивной гибридизации между S. m. malma и S. m. krascheninnikovi (Олейник и др., 2002).
Теоретическое и практическое значение работы. После введения государствами двухсотмильной экономической зоны лососи являются национальным достоянием той страны, где происходит их воспроизводство. В связи с этим, большое значение приобретает не просто изучение морфологической и генетической изменчивости в рамках отдельного вида, но и понимание эволюционной истории лососевых рыб. Проведенное исследование указывает на перспективность объединения филогеографического и филогенетического подходов для решения сложных проблем филогении относительно недавно дивергировавших таксонов лососевых рыб. Полученные данные по филогении и филогеографии гольцов рода Salvelinus могут быть полезны при проведении сравнительных исследований, касающихся проблем видообразования и исторической биогеографии ихтиофауны Северной Пацифики. Разработана и апробирована система молекулярных маркеров мтДНК, позволяющая дифференцировать симпатричные популяции, идентифицировать узкоареальные эндемичные таксоны и эволюционно значимые внутривидовые группировки гольцов. Применение адекватных молекулярно генетических маркеров необходимо для оценки и мониторинга биологического разнообразия, а также предложения природоохранных мер в условиях усиливающегося антропогенного воздействия на популяционные системы промысловых рыб, к которым относятся гольцы рода Salvelinus.
Полученные в ходе работы результаты используются при проведении спецкурса “Основы современной филогенетики” в Дальневосточном федеральном университете (ДВФУ).
Апробация работы. Основные положения работы были представлены и обсуждались на всесоюзном совещании “Систематика, биология и биотехника разведения лососевидных рыб” (Санкт-Петербург, 1994), первом конгрессе ихтиологов России (Астрахань, 1997), всероссийской конференции к 100-летию Государственного Дарвиновского музея “Современные проблемы биологической эволюции” (Москва, 2007), V съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров, посвященного 200-летию со дня рождения Чарльза Дарвина (Москва, 2009);
международных конференциях: “Bridges of science between North America and Russian Far East” (Vladivostok, 1994), “Biology and Evolution of Chars of the Northern Hemisphere” (Kamchatka, Russia, 1998), “Bridges of Science between North America and the Russian Far East: Past, Present, and Future” (Vladivostok, 2004), “Computational Phylogenetics and Molecular Systematics commemorating the 50th anniversary of Molecular Phylogenetics and Systematics in Russia” (Moscow, 2007), “Генетика, селекция, гибридизация, племенное дело и воспроизводство рыб” (Санкт-Петербург, 2008), “Problems of Population and General Genetics” (Moscow, 2011);
международных симпозиумах: the 6th International Charr Symposium (Stirling, Scotland, 2009);
the 7th International Charr Symposium (Yuzhno-Sakhalinsk, 2012), а также обсуждались на ежегодных научных конференциях ИБМ ДВО РАН в период с 1992 по 2009 гг.
Положения, выносимые на защиту:
1. Митохондриальная ДНК является эффективным молекулярным маркером для реконструкции филогенетических отношений между видами и филогенетическими группами, анализа микроэволюционных процессов (дивергенция, дифференциация, историческая демография популяций) на внутривидовом уровне, при условии использования репрезентативного комплекса признаков для описания структуры анализируемого биоразнообразия лососевых рыб семейства Salmonidae.
2. Гольцы рода Salvelinus представляют монофилетическую группу лососевых рыб. Спецификой рода Salvelinus является существование двух групп таксонов, с филогенетическими проблемами разной степени сложности. Поэтому общую топологию дендрограмм рода Salvelinus следует охарактеризовать как сложную, с длинными внешними и короткими внутренними ветвями, неустойчивую к эффекту притяжения длинных ветвей при филогенетических реконструкциях.
3. Процессы видообразования гольцов рода Salvelinus преимущественно определялись глобальными климатическими и географическими изменениями в позднем кайнозое. В филогенезе рода прошло четыре цикла дивергенции. Первый этап филогенеза связан с последовательной дивергенцией базальных ветвей (S.
fontinalis, S. namaycush, S. levanidovi и S. leucomaenis). Позже произошло обособление линии S. curilus (S. m. krascheninnikovi) и последующее разделение общего предка рода на два митохондриальных филума, дивергенция которых привела к образованию четырех монофилетических групп: арктической, западной тихоокеанской, берингийской и группы S. alpinus. На последнем этапе проходила диверсификация внутри филогенетических групп.
4. Дисперсалистская модель расселения из аллопатрических рефугиумов объясняет внутривидовую дифференциацию у двух таксонов гольцов (S. m. malma и S. m. krascheninnikovi), исторические ареалы которых располагались на территориях, испытавших ледниковое воздействие и не подвергавшихся оледенению в позднем кайнозое. Особенности популяционной дифференциации S. m. malma обусловлены событиями, сопровождавшими смену периодов оледенений и межледниковья в плейстоцене. В то же время, самостоятельная дивергенция S. m. krascheninnikovi связана с циклическими процессами геологического формирования бассейна Японского моря и прилегающих территорий.
5. В пределах географического региона северо-восточной Азии для гольцов рода Salvelinus обосновано существование двух эволюционных моделей формирования исследованных бимодальных зон симпатрии, опирающихся на гипотезу аллопатрического видообразования. Присутствие симпатрических популяций связано с вторичным контактом предков значительно дивергировавших филетических линий и множественными вселениями представителей близкородственных филетических линий, дивергировавших в разных рефугиумах.
6. Cовременная систематика рода Salvelinus, объединяющая в рамках полнокомплексного вида Salvelinus alpinus – Salvelinus malma complex большую часть таксонов гольцов, вероятно, не полностью отражает филогенетические взаимоотношения, поскольку основана на гомопластичных морфологических и экологических признаках. Альтернативой объединения в полнокомплексный вид является переосмысление содержания таксонов и разделения их на несколько видов, соответствующих монофилетическим группам.
Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано научных работы, из них 25 статей, в числе которых 24 в журналах, включенных в “Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук”.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие на всех этапах исследования, кроме сбора материала. Экспериментальная работа (PCR-RFLP анализ мтДНК), расчет молекулярной массы рестрикционных фрагментов и картирование амплифицированных участков мтДНК выполнены совместно с Л.А.
Скурихиной (лаборатория генетики, ИБМ ДВО РАН).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы и приложений. Основное содержание работы
изложено на 532 страницах печатного текста, иллюстрировано 52 рисунками, 40 таблицами, и дополнено 9 приложениями. Список литературы содержит цитируемых работ.
Исследование осуществлено при финансовой поддержке Программ Президиума РАН (проекты 04-1-П10-012, 06-I-П10-015, 06-I-П11-025), грантов РФФИ-ДВО РАН (№ 06-I-П11-021), ДВО РАН (№ 03-3-E-06-031, № 04-3-Е-06-021, № 05-III-А-06-133, № 09-I-П23-03) и Международного научного фонда (№ NOF000, № NOF300). Ряд исследований был проведен на средства государственной научно-технической программы “Приоритетные направления генетики”, а также грантов РФФИ (№ 94-04 11129, № 96-04-63010к, № 98-04-48919, № 00-04-63057, № 01-04-49436, № 02-04 49480, № 04-1-06-006).
Благодарности. Считаю своим долгом выразить признательность первым научным руководителям, кандидату биологических наук Г.П. Манченко и доктору биологических наук, профессору М.К. Глубоковскому, оказавшим влияние на формирование научного мировоззрения и становление автора как самостоятельного исследователя.
Автор глубоко признателен Сергею Владимировичу Фролову (ИБМ ДВО РАН) и Игорю Александровичу Черешневу (ИБПС ДВО РАН) за многолетнее совместное сотрудничество по исследованию гольцов рода Salvelinus, включающее сбор, таксономическое определение и заинтересованное обсуждение полученных результатов. Автор выражает сердечную благодарность своему соавтору и единомышленнику Любови Андреевне Скурихиной, заведующему лабораторией генетики ИБМ ДВО РАН Владимиру Алексеевичу Брыкову, принимавшему активное участие в развитии исследований гольцов, коллективу лаборатории генетики – Н.Е.
Поляковой, А.Д. Кухлевскому, Ю.Ф. Картавцеву, А.И. Пудовкину, Н.И. Заславской, Т.Ф. Прийме, Е.И. Бондарь, Е.С. Балакиреву, О.В. Апаликовой, Н.Л. Коваленко, а также сотрудникам ИБМ ДВО РАН А.В. Молодиченко, И.И. Деридовичу, Л.Г.
Ерофеевой за моральную поддержку, советы и всестороннюю помощь при проведении исследований и анализе полученных данных.
Автор искренне благодарен за участие в формировании коллекции препаратов ДНК лососевых рыб С. Абе, Вл.А. Брыкову, В.А. Брыкову, Р.М. Викторовскому, Дж.
Венбургу, A. Гарретту, М.К. Глубоковскому, Е.В. Голубь, П.К. Гудкову, А. Гото, М.Ю. Засыпкину, Е.В. Иванковой, П. Крэйн, Т.В. Малининой, А.П. Никанорову, С.Д.
Олейник, В.Т. Омельченко, В.А. Паренскому, Е.Г. Погодаеву, М.Ю. Репину, И.Г.
Рыбниковой, Н.С. Романову, И.Н. Рязановой, С.Н. Сафронову, Э. Тейлору, И.В.
Тиллеру, С.В. Фролову, И.А. Черешневу, Н.Ю. Шпигальской, А. Элц, сотрудникам биологических станций “Сокол” и ”Радуга” (ИБМ ДВО РАН), Дальнеозерской и Паратункинской биологических станций и Кроноцкого (КамчатНИРО) государственного биосферного заповедника, без помощи которых данное исследование было бы невозможно.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. НАЧАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ОПИСАНИЯ ТАКСОНОВ В ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ: ПРОБЛЕМЫ И СТРАТЕГИЯ Филогенетика – это раздел эволюционной биологии, изучающий филогенез, рассматриваемый как процесс появления новых или исчезновения существующих групп организмов, и структуру родственных отношений между филогенетическими группами разного ранга. Основная цель филогенетического анализа сконцентрирована в понятии филогенетической реконструкции, которая обозначает, с одной стороны, процесс исследования, с другой, итоговую гипотезу о родственных взаимоотношениях конкретных филогенетических групп. Классическая филогенетика, фенетика и кладизм, представляющие направления современной филогенетики, опираются на разные методологии и предлагают разные методические подходы для реконструкции филогенетических отношений. Автор поддерживает позицию исследователей, настаивающих на необходимости создания единой методологии филогенетических реконструкций на основе синтеза наиболее эффективных принципов классической филогенетики, фенетики и кладизма (Майр, 1971;
Sneath, Sokal, 1973;
Глубоковский, 1995;
Поздняков, 1976;
Павлинов, 2005).
Проблемы филогенетических реконструкций. В разделе 1.1.
охарактеризованы основные этапы филогенетического анализа. Дан критический обзор современных представлений о стратегии формирования эффективной таксономической выборки для филогенетического анализа. Особое внимание уделено методам реконструкции филогенетических деревьев. Подводя итог обсуждению, отмечается, что для оценки филогенетических отношений между таксонами и уровня достоверности топологий дендрограмм следует опираться на несколько методов, так как используемый для описания структуры генетического разнообразия набор признаков не обязательно удовлетворяет требованиям и условиям эффективной работы каждого отдельного статистического метода.
1.2. Общее представление о гольцах рода Salvelinus как модельной группе для филогенетического анализа. Гольцы рода Salvelinus относятся к лососевым рыбам семейства Salmonidae, которые традиционно используются для изучения процессов микро- и макроэволюции. Поэтому филогенетические исследования лососевых рыб методически можно рассматривать как анализ хорошо поддержанной филогении (“well-established phylogenies”) (согласно: Yang, 2006). Такой подход повышает надежность филогенетической гипотезы, поскольку есть возможность сопоставить полученные молекулярно-генетические реконструкции с имеющимися данными.
На основе анализа различных взглядов на родственные связи высших таксонов лососевых рыб (Oakley, Phillips, 1999;
Buisine et al., 2002;
Crespi, Fulton, 2004;
Осинов, Лебедев, 2004;
Олейник, Скурихина, 2008), обосновано рассмотрение представителей рода Salmo в качестве внешней группы для реконструкции кладогенеза и филогенеза гольцов рода Salvelinus.
Таксономический состав рода Salvelinus уже продолжительное время представляет тему для обсуждения и дискуссий (Берг, 1948;
McPhail, 1961;
Глубоковский и др., 1979;
Behnke, 1980, 1989;
Савваитова, 1989;
Nelson, 1994, 2006;
и др.).
Непрекращающиеся дебаты вокруг корректной таксономии гольцовых рыб определяются высоким морфоэкологическим разнообразием, которое проявляется на фоне огромного ареала. Сочетание этих двух факторов делает гольцов особенно сложной таксономической группой. Показательно, что таксономические проблемы существуют на нескольких иерархических уровнях внутри рода Salvelinus: выделение подродов, число современных видов, а также состав подвидовых таксонов. В результате, если одни исследователи поддерживают описание у гольцов большого числа валидных видов (Берг, 1948;
Викторовский, 1978;
Глубоковский, 1995;
Kottelat, 1997;
Фролов, 2000;
Черешнев и др., 2002;
Богуцкая, Насека, 2004;
Oleinik et al., 2007;
и др.), то другие – обосновывают деление рода на ограниченное количество видов, часть из которых являются полнокомплексными (Behnke, 1980, 1989;
Савваитова, 1989;
Nelson, 1994, 2006;
Savvaitova, 1995;
Решетников, 2003;
и др.).
Дан критический обзор представлений, объединяющих все аллопатрические и симпатрические популяции, формы, виды гольцов, кроме S. namaycush, S. fontinalis и S.
leucomaenis, в рамках полнокомплексного вида S. alpinus complex с группировками разного иерархического уровня.
Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК 2.1. Основные свойства мтДНК, как генетического маркера типа I. В разделе описываются структура, функции и особенности наследования мтДНК, существенные для филогенетических и филогеографических исследований, а также общая характеристика методов анализа полиморфизма длин рестрикционных фрагментов мтДНК. В заключение подчеркивается, что метод PCR-RFLP анализа мтДНК обладает достаточной разрешающей способностью при реконструкции родственных отношений недавно дивергировавших, молодых филогенетических групп (Wilson et al., 1985;
Moritz et al., 1987;
Avise, 2004), к которым относятся гольцы рода Salvelinus.
2.2. Методы исследования. Общая схема лабораторного протокола анализа мтДНК включает несколько последовательный стадий: стандартные процедуры выделения ДНК (Sambrook et al., 1989), амплификации мтДНК в полимеразной цепной реации (PCR), анализа полиморфизма длины рестрикционных фрагментов (RFLP) мтДНК, формирования таксон-признаковых матриц.
Фрагменты мтДНК амплифицировали в полимеразной цепной реакции на тотальной геномной ДНК с использованием набора олигонуклеотидных праймеров, предложенных для лососей Oncorhynchus mykiss и Oncorhynchus kisutch (Gharrett et al., 2001). В настоящей работе были амплифицированы шесть фрагментов (ND1/ND2, Cytb/D-loop, ND5/ND6, ND3/ND4L/ND4, A8/A6/COIII, COI/COII), составляющие около 80% митохондриального генома (рис. 1). Отсутствие данных для участка 12S/16S не может привести к сколько-нибудь значимому смещению конечных результатов, так как, согласно сравнительному анализу 67 полностью секвенированных митохондриальных геномов шести видов лососевидных рыб (Wilhelm et al., 2003), в этой группе рибосомальные гены являются высококонсервативными.
Рис. 1. Линейная генная карта мтДНК (по: Zardoya et al., 1995). Расположение семи участков мтДНК относительно карты митохондриального генома позвоночных соответствует опубликованным схемам (Gharrett et al., 2001).
Цели и задачи конкретных исследований определили состав анализируемых фрагментов мтДНК. Предварительный сравнительный анализ позволил выявить наиболее изменчивые участки в геноме гольцов (ND1/ND2, Cytb/D-loop, ND5/ND6), которые в дальнейшем использовались: для популяционного и 1) филогеографического анализов;
2) для дифференциации симпатричных популяций, относящихся к значительно дивергировавшим филетическим линиям. Анализ изменчивости по шести амплифицированным фрагментам мтДНК применялся: 1) для реконструкции филогений;
2) тестирования влияния начальных условий описания таксонов на результаты реконструкций;
3) дифференциации симпатричных популяций, принадлежащих к близкородственным филетическим линиям.
В соответствии с задачами исследований, для анализа полиморфизма длины рестрикционных фрагментов, амплифицированных в PCR участков мтДНК, использовались разные наборы из двадцати рестрикционных эндонуклеаз (“MBI Fermentas”, Литва;
“СибЭнзим”, Россия): Asu I, Ava I, Ava II, BstN I, BstU I, Dde I, EcoR V, Hha I, Hinf I, Mbo I, Mbo II, Msp I, Rsa I, Sty I, BsuR I, Vsp I, Bcl I, Ssp I, Bme 1390I, Taq I.
Результаты RFLP анализа трансформировались в таксон-признаковую матрицу таким образом, что в качестве признаков выступали рестрикционные сайты, уникальное сочетание которых определяет структуру гаплотипа мтДНК. Состояние сайта, присутствие (1) или отсутствие (0), устанавливалось в процессе картирования амплифицированных участков мтДНК по набору рестрикционных фрагментов.
Данные анализа каждой особи по всем сайтам и всем участкам объединяли, получая, таким образом, комбинированные гаплотипы (в дальнейшем – гаплотипы).
Статистическая обработка данных PCR-RFLP анализа мтДНК включает:
– популяционно-генетический анализ на основе стандартных показателей внутрипопуляционного полиморфизма и дивергенции мтДНК (Nei, Tajima, 1981, 1983;
Nei, 1987;
Tajima, 1983);
– количественная оценка географической подразделенности изменчивости мтДНК на основе иерархического анализа молекулярной дисперсии (AMOVA) (Excoffier et al., 1992) и метода Монте-Карло (Roff, Bentzen, 1989);
– анализ демографических параметров популяций по распределению показателей различий между всеми парами гаплотипов (mismatch distribution) (Rodgers, Harpending, 1992;
Harpending, 1994), тестов D (Tajima, 1989) и Fs (Fu, 1997);
– генеалогический анализ гаплотипов методами медианных сетей (алгоритм MJ) (Bandelt et al., 1999) и минимальной протяженности (алгоритм MST) (Excoffier, Smouse, 1994);
– гнездовой кладистический филогеографический анализ (NCPA) (Templeton et al., 1987, 1995);
для интерпретации результатов использовался модифицированный ключ, разработанный А. Темплетоном (Templeton, 1998);
– филогенетический анализ на основе комплексного подхода, объединяющего фенетический анализ генетического сходства по всему массиву признаков, филогенетический анализ родственных отношений, кладистический анализ филогенетически информативных признаков, тестирование устойчивости связей при изменении количества и качества дифференцирующих признаков, состава терминальных групп. Топологию дендрограмм определяли по следующим алгоритмам: 1) дистанционные методы, основанные на кластер-анализе:
невзвешенного попарного сравнения с арифметическим усреднением UPGMA (Sneath, Sokal, 1973), “ближайшего связывания” NJ (Saitou, Nei, 1987);
2) поисковые методы, применяющие разные стратегии для выбора оптимальной топологии:
максимальной парсимонии MP (Hendy, Penny, 1982;
Swofford et al., 1996), максимального правдоподобия ML (Felsenstein, 1981), Байесовский метод максимального правдоподобия BI (Rannala, Yang 1996;
Mau, Newton 1997);
– достоверность топологии дендрограмм оценивалась бутстрэпом (Felsenstein, 1985), который включал 1000 итераций для каждого набора данных;
устойчивость точек ветвления оценивалась по значениям бутстрэп-поддержек (BS), а также апостериорных вероятностей (PP) для BI-деревьев.
Математический анализ данных проводили, используя пакеты программ:
ARLEQUIN version 2.000 (Schneider et al., 2000) и version 3.5.1.3 (Excoffier, Lischer, 2010);
CHIRXC (Zaykin, Pudovkin, 1993);
GeoDis (Posada et al., 2000);
MRBAYES version 3.2 (Ronquist, Huelsenbeck, 2003);
NETWORK 4.6.10 (“Fluxus Technology Ltd”., www.fluxus-engineering.com);
NTSYS-pc 21 (Rohlf, 1990);
PAUP version 4.0b (Swofford, 2002);
PHYLIP 3.67 (Felsenstein, 1989, 2004);
REAP (McElroy et al., 1992);
TreeView (http://taxonomy.zoology.gla.ac.uk/rod/ treeview.html).
2.3. Объекты исследования – лососевые рыбы семейства Salmonidae. Работа основана на оригинальном материале из коллекции ДНК лососевых рыб семейства Salmonidae лаборатории генетики ИБМ ДВО РАН, собранного в период с 1995 по 2005 годы. Основными объектами исследования стали гольцы рода Salvelinus: белый голец S. albus (58 экз.), арктический голец S. alpinus alpinus (49 экз.) и S. a. oquassa ( экз.), чукотский голец S. andriashevi (2 экз.), бычья форель S. confluentus (5 экз.), голец Крогиус S. krogiusae (5 экз.), длинноголовый голец S. kronocius (36 экз.), кунджа S.
leucomaenis (13 экз.), голец Леванидова S. levanidovi (13 экз.), северная мальма S.
malma malma (436 экз.), южная азиатская мальма S. curilus (S. m. krascheninnikovi) (213 экз.), южная североамериканская мальма S. m. lordi (14 экз.), носатый голец S.
schmidti (44 экз.), голец Таранца S. taranetzi (27 экз.), начикинский голец Salvelinus sp.
4 (17 экз.). Для выполнения поставленных задач в анализ были включены представители родов Salmo: атлантический лосось Salmo salar (3 экз.);
Oncorhynchus:
кета O. keta (10 экз.), горбуша O. gorbuscha (10 экз.), сима O. masou (10 экз.), нерка O.
nerka (10 экз.), кижуч O. kisutch (10 экз.), чавыча O. tschawytscha (10 экз.);
Parasalmo:
микижа P. mykiss (или Oncorhynchus mykiss) (33 экз.).
Общая численность препаратов мтДНК составила 1105, из которых препаратов мтДНК гольцов были использованы для филогенетического анализа. В популяционный и филогеографический анализы были включены 436 препаратов мтДНК S. m. malma (27 выборок) и 213 – S. curilus (S. m. krascheninnikovi) ( выборок).
Глава 3. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ ГОЛЬЦОВ РОДА SALVELINUS 3.1. Филогеографические представления о формировании генетической подразделенности популяций. Одной из основных задач популяционной генетики является исследование микроэволюционных процессов, связанных с распределением генетической изменчивости внутри и между популяциями, дивергенцией популяций и, в конечном счете, этапами формо- и видообразования. В последние годы наибольшие успехи в этой области обусловлены развитием филогеографического подхода, объединяющего данные о внутривидовой дифференциации и географическом распределении гаплотипов мтДНК (Avise et al., 1987;
Avise, 2000, 2009).
В рамках популяционно-генетического анализа предметом филогеографии является определение особенностей наблюдаемого распространения гаплотипов мтДНК на пространственной шкале и объяснение причин его формирования (Avise, 2000). Было показано, что пережитые популяциями отдельных видов демографические процессы отражаются в структуре генеалогических деревьев гаплотипов и часто являются причиной генетической подразделенности многих современных таксонов Поскольку глобальные (Avise et al., 1998).
палеогеографические процессы, происходившие в плиоценовую и плейстоценовую эпохи, оказали серьезное воздействие на формирование биоразнообразия не только арктических, но и всех северных экосистем (Черешнев, 1996;
Hewitt, 2000, 2004), особый интерес представляет исследование филогеографии мальмы Salvelinus malma (Walbaum), эволюция которой, благодаря исключительной морфологической и экологической пластичности, сопровождалась интенсивными процессами формообразования. Согласно Р. Бенке (Behnke, 1984), у мальмы выделяется три подвида: северная мальма Salvelinus malma malma Walbaum, южная азиатская мальма Salvelinus malma krascheninnikovi Taranetz и южная североамериканская мальма Salvelinus malma lordi Gnter. Учитывая уровень дивергенции (Олейник и др., 2005;
Oleinik et al., 2004;
2007), филогеография S. m. malma и S. m. krascheninnikovi в диссертации анализируется отдельно.
3.2. Филогеография южной азиатской мальмы Salvelinus malma krascheninnikovi. Исследование филогеографии южной азиатской мальмы S. m.
krascheninnikovi основано на оригинальном материале (рис. 2), представляющем большую часть ареала: о. Сахалин, Курильские острова, материковое побережье Японского моря и о. Хоккайдо (Олейник и др., 2001, 2002, 2004, 2007, 2010). Обобщая результаты PCR-RFLP анализа изменчивости мтДНК и литературные данные, определены следующие особенности популяционно-генетической структуры S. m.
krascheninnikovi. Во-первых, высокое разнообразие внутри (52% молекулярной дисперсии) и между (48% дисперсии) популяциями. Этот вывод подтверждается оценками показателей дифференциации и межпопуляционной нуклеотидной дивергенции. Во-вторых, сочетание высокой дифференциации популяций со слабыми различиями между популяциями географически удаленных регионов (6–11% дисперсии). На широкой географической шкале, по согласованным результатам анализа разных генетических маркеров, можно выделить две географические группировки: популяции материкового побережья Японского моря и Сахалино Курильского региона. Возможно, с учетом генетических (Салменкова, Омельченко, 2000;
Осинов, 2001;
Омельченко и др., 2002;
Шубина и др., 2006) и морфологических (Гриценко и др., 1998, 1999, 2002;
Савваитова и др., 2001, 2004;
Пичугин и др., 2006) данных, исключением будет подразделенность на региональные группы Сахалина и Курильских островов.
Рис. 2. Географическое распределение и частоты (в процентах) основных гаплотипов мтДНК Salvelinus malma krascheninnikovi по ареалу: 1, 2 – о. Сахалин, побережье Охотского моря;
3 – о. Кунашир;
4 – о. Хоккайдо;
5, 6, 7 – материковое побережье Японского моря.
Для генеалогического дерева S. m. krascheninnikovi характерно: большое число альтернативных связей равной длины, отсутствие крупных радиальных кластеров, наличие структурированности гаплотипической сети, лишь частично связанной с географической локализацией популяций. Гаплотипы одной популяции входят в разные структуры MJ-дерева, генеалогические расстояния между которыми оказываются очень большими (рис. 3).
Рис. 3. Генеалогическая сеть (MJ-анализ) и распределение числа нуклеотидных замен (mismatch distribution) между гаплотипами мтДНК Salvelinus malma krascheninnikovi. На ветвях указаны мутационные различия между гаплотипами;
размер окружностей пропорционален абсолютным частотам гаплотипов.
Согласно обобщенным результатам генеалогического и NCPA анализов, географическое распространение гаплотипов мтДНК S. m. krascheninnikovi обусловлено как популяционно-генетическими процессами (ограниченный генный поток), так и историко-демографическими событиями (расширение и фрагментация ареала). Распределение показателей различий между всеми парами гаплотипов (mismatch distribution) (рис. 3) и значения показателей тестов Fs (p 0.002) также указывают на демографическую и пространственную экспансию у S. m.
krascheninnikovi. Не менее существенное влияние на географическую сопряженность гаплотипов мтДНК оказали популяционно-генетические процессы. Вероятно, что на протяжении длительных исторических периодов демографическая ситуация в популяциях S. m. krascheninnikovi изменялась незначительным образом, и эволюционный процесс заключался в дивергенции популяций на всем ареале. Так как современный ареал южной азиатской мальмы не выходит далеко за пределы предкового водоема, а основные демографические события связаны с циклическими процессами геологического формирования бассейна Японского моря и прилегающих территорий, генеалогическое дерево S. m. krascheninnikovi содержит следы вторичных контактов изолированных филогеографических групп.
Полученные результаты свидетельствуют о наличие у S. m. krascheninnikovi одного исторического рефугиума, расположенного в бассейне палео-Японского моря (Oleinik et al., 2007). Несмотря на то, что независимые данные подтверждают дифференциацию популяций на две географические группы, наиболее вероятной причиной дифференциации является фрагментация ареала, связанная с изоляцией Японского и Охотского морей. Особенности генеалогии гаплотипов мтДНК и результаты NCPA анализа указывают на общее происхождение популяций S. m.
krascheninnikovi и не подтверждают гипотезу (Осинов, Мюге, 2008) о существовании в позднем плейстоцене рефугиума на территории Приморья.
3.3. Филогеография северной мальмы Salvelinus malma malma. На оригинальном материале исследована филогеография северной мальмы S. m. malma, которая является типичным представителем арктической фауны. При этом естественный ареал северной мальмы расположен на территориях, подвергшихся значительным оледенениям в плейстоцене. На основе PCR-RFLP анализа изменчивости мтДНК оценен уровень генетической дифференциации S. m. malma Азии и Северной Америки (рис. 4).
Рис. 4. Географическое распределение и частоты (в процентах) основных гаплотипов мтДНК Salvelinus malma malma по ареалу. Черными окружностями обозначены места локализации исследованных популяций.
Показано, что для S. m. malma на большей части исследованного ареала (бассейны морей Бофорта, Чукотского, Берингова, Охотского) характерна популяционная структура с низким уровнем генетической дифференциации и дивергенции. Генетическая структурированность популяций с противоположных побережий Берингова моря статистически недостоверна (p 0.05). Оценки нуклеотидной дивергенции и показателей генетической дифференциации на разных уровнях популяционной организации S. m. malma имеют низкие значения. Основная часть внутривидовой изменчивости мтДНК находится внутри популяций (72.5% дисперсии). Следует также отметить, что различия между континентами значительно менее выражены, чем между популяциями внутри континентов. Только 6.4% молекулярной дисперсии обусловлено разделением на континентальные области.
Для оценки влияния исторических событий на филогеографическую и популяционно-генетическую структуру S. m. malma выполнены генеалогический (рис.
5) и NCPA анализы гаплотипов мтДНК. Реконструированная генеалогия имеет следующие особенности: 1) радиальная структура кластеров;
2) широкое географическое распространение филогеографической группы N1, охватывающее большую часть ареала и исследованных гольцов. Согласно выводам NCPA анализа, в эволюционной истории S. m. malma прослеживается периодичность оледенений в плейстоцене. Стабильные периоды, характеризующиеся ограниченным потоком генов между популяциями, сменялись периодами расширения и последующей фрагментации ареала в процессах реколонизации вслед за отступающими ледниками.
Распределение показателей различий между всеми парами гаплотипов (mismatch distribution) (рис. 5) и значения показателей тестов Fs (p 0.002) также указывают на демографическую и пространственную экспансию у S. m. malma.
Рис. 5. Генеалогическая сеть (MJ анализ) и распределение числа нуклеотидных замен (mismatch между гаплотипами distribution) мтДНК Salvelinus malma malma. На ветвях указаны мутационные различия между гаплотипами;
размер окружностей пропорционален абсолютным частотам гаплотипов.
Опираясь на палеогеографические реконструкции (Hopkins, 1972;
Черешнев, 1996;
Mann, Hamilton, 1995) обоснованы вероятные историко-демографические причины современного распространения гаплотипов мтДНК. Наши данные предполагают, что популяции S. m. malma Азии и Северной Америки заселялись из одного основного Берингийского рефугиума. Наиболее вероятно, что на рефугиальной стадии в позднеплейстоценовый период предковая популяция прошла через “горлышко бутылки”, и отражением этого демографического процесса является слабая пространственная дифференциация S. m. malma по ареалу с низким уровнем дивергенции мтДНК. Генеалогический и NCPA анализы гаплотипов мтДНК S. m.
malma не подтверждают гипотезы о существовании на территории Берингийской суши двух рефугиумов (DeCicco, Reist, 1999), а также независимого происхождения популяций побережья Охотского моря (Frolov, 2006).
3.4. Заключение. В основе обнаруженной генетической дифференциации S. m.
malma and S. m. krascheninnikovi лежат исторические причины. S. m. krascheninnikovi сформировалась на территориях, расположенных за границей распространения ледников (Таранец, 1936;
Гриценко и др., 1998;
Осинов, 2001;
Oleinik et al., 2007).
Напротив, S. m. malma испытала значительное сокращение численности из-за оледенений в позднем плейстоцене, покрывавших большую часть ареала в Северной Пацифике (Осинов, 2001;
Redenbach, Taylor, 2002;
Oleinik et al., 2007).
Показано, что современные популяции S. m. malma, S. m. krascheninnikovi и S. m.
lordi существуют как отдельные филогеографические группы, не имеющие общих предковых гаплотипов мтДНК (Олейник и др., 2005;
Oleinik et al., 2007).
Иерархическое распределение общей молекулярной дисперсии выявило, что более 91% изменчивости мтДНК обусловлено делением на таксономические группы.
Минимальное число нуклеотидных замен между гаплотипами S. m. krascheninnikovi и S. m. lordi составляет 30, между S. m. malma и S. m. krascheninnikovi – 31, между S. m.
malma и S. m. lordi – 27 нуклеотидных замен (участки ND1/ND2, Cytb/D-loop, ND5/ND6). Полное расхождение митохондриальных линий свидетельствует о том, что между S. m. malma, S. m. krascheninnikovi и S. m. lordi достигнуто состояние реципрокной монофилии (Neigel, Avise, 1986). Данный вывод представляется крайне важным, поскольку между такими внутривидовыми группировками лососевых рыб, как сезонные расы у кеты (Полякова и др., 2006), смежные поколения четных и нечетных лет у горбуши (Churikov et al., 2001;
Churikov, Gharrett, 2002), подвиды у кунджи (Yamamoto et al., 2004), дивергенция которых, определяется границами плейстоцена, наблюдается неполное расхождение митохондриальных линий. Это позволяет допустить, что дивергенция предковых филогеографических групп S. m.
malma, S. m. krascheninnikovi и S. m. lordi является более ранним эволюционным событием. В то же время, различия современной популяционно-генетической структуры S. m. malma и S. m. krascheninnikovi обусловлены циклическими оледенениями в плейстоцене.
В разделе обсуждаются некоторые общие проблемы, связанные с наличием контактных зон между S. m. malma, S. m. lordi и S. confluentus по североамериканскому побережью Тихого океана и между S. m. malma, S. m.
krascheninnikovi и S. leucomaenis вдоль азиатского побережья Тихого океана. Сделан вывод, что географическое положение контактных зон по обеим сторонам Тихого океана хорошо вписывается в общую схему распространения зон естественной гибридизации у лососевых рыб (Taylor, 2004), связанных с образованием ледниковых щитов в плейстоцене. Наиболее взвешенной представляется позиция, согласно которой возникновение зон гибридизации между достаточно сильно дивергировавшими таксонами ограничено историческими случайностями и поэтому результат в каждом конкретном случае является абсолютно локальным. Современные контактные зоны гольцов несут “след” исторической интрогрессивной гибридизации, так как фиксируются в таких регионах, где один из участвующих таксонов больше не обитает (Bernatchez et al., 1995;
Glement et al., 1998;
Wilson, Bernatchez, 1998;
Redenbach, Taylor, 2002;
Taylor, 2004). С другой стороны, существует крайне мало свидетельств естественной гибридизации между S. m. krascheninnikovi и S.
leucomaenis, S. m. malma и S. alpinus или S. m. krascheninnikovi и S. m. malma в современных зонах симпатрии (Yamamoto et al., 2006;
Taylor, 2008). Поэтому в настоящее время генетические структуры трех таксонов мальмы, вероятно, отражают модели изоляции и реколонизации, совмещенные с исторической интрогрессивной гибридизацией, ограниченной контактными зонами.
Глава 4. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ СИМПАТРИЧНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ ГОЛЬЦОВ РОДА SALVELINUS Характерной особенностью гольцов является симпатрическое существование нескольких видов, форм или экотипов, которые достоверно отличаются на основе традиционных морфологических признаков. Для объяснения возникновения современных зон симпатрии гольцов предлагаются разные модели, которые можно разделить на две группы. Модели, опирающиеся на гипотезу аллопатрического видообразования (Майр, 1968), связывают появление симпатрии с множественными инвазиями предковых популяций, представляющих дивергировавшие филетические группы (Викторовский, 1978;
Глубоковский и др., 1979;
Глубоковский, 1995;
Taylor, 1999). Альтернативные модели постулируют симпатрическую дивергенцию предковой популяции основателя (Волобуев и др., 1979;
Behnke, 1984, 1989;
Савваитова, 1989;
Jonsson, Jonsson, 2001;
Alekseyev et al., 2002). В связи с этим, исследование симпатричных популяций гольцов северо-востока Евразии представляет несомненный интерес. В водоемах этого региона встречаются несколько разных примеров симпатрического обитания гольцов, которые демонстрируют широкий спектр взаимоотношений и репродуктивной обособленности. Для получения более обоснованных выводов, представляется целесообразным совместить результаты анализа генетической дифференциации симпатричных популяций на основе статистических оценок подразделенности полиморфизма с анализом генеалогий гаплотипов мтДНК. Такой подход позволяет оценить уровень дивергенции популяций, реконструировать их демографическую историю, и на этой основе предложить наиболее вероятный сценарий образования современных зон симпатрии гольцов.
4.1 Дифференциация Salvelinus malma malma и Salvelinus albus в бассейне реки Камчатка. Результаты PCR-RFLP анализа мтДНК подтверждают генетическую дифференциацию между S. albus и S. m. malma как в местах их симпатрического обитания, так и при оценке на уровне объединения таксономических групп (Олейник и др., 2010). В то же время, величина дивергенции мтДНК между S. albus и вероятным предковым видом S. m. malma (0.04%) не превышает диапазона внутривидовой изменчивости в популяциях северной мальмы.
На основе реконструкции генеалогии гаплотипов мтДНК установлено, что филогенетическая группа S. albus, несомненно, дивергировала от S. m. malma, сохранив черты предкового полиморфизма (рис. 6). В настоящий момент между S.
albus и S. m. malma наблюдается неполное расхождение митохондриальных линий.
Показано, что хотя S. albus и S. m. malma имеют общий предковый гаплотип, в то же время, существуют дивергировавшие гаплотипы, которые обнаружены только в популяциях S. albus. Такое положение соответствует стадии перехода от состояния полифилии к парафилии (Neigel, Avise, 1986).
Присутствие в периферической части генеалогического дерева S. albus гаплотипов северной мальмы может свидетельствовать о вторичном контакте первоначально разделенных популяций с вероятной интрогрессивной гибридизацией.
Поэтому низкие оценки степени нуклеотидной дивергенции между S. albus и S. m.
malma обусловлены с одной стороны предковым полиморфизмом, с другой, обменом гаплотипами между дивергировавшими филогенетическими группами. На данном этапе исследования достаточно сложно определить имеется ли в современных симпатричных популяциях поток генов или мы наблюдаем последствия исторической гибридизации.
Рис. 6. Генеалогическая сеть (MJ-анализ) гаплотипов мтДНК Salvelinus albus. На ветвях указаны мутационные различия между гаплотипами. Серым цветом обозначены общие гаплотипы у S. albus и S. m. malma.
Иерархический анализ молекулярного разнообразия мтДНК позволяет предположить общее происхождение двух аллопатричных популяций S. albus и связать появление современной зоны симпатрии в бассейне р. Камчатка с множественными эпизодами ее колонизации (Олейник и др., 2010). В пользу подобного сценария свидетельствуют сложная историческая демография предкового вида S. m. malma, отражающая периодичность оледенений в плейстоцене, близость Камчатки к Берингийскому рефугиуму, а также морфологическая (Черешнев, 1996;
Reist, Sawatzky, 2010) и генетическая однородность современной северной мальмы на всем ареале, с отсутствием какой-либо внутривидовой таксономической подразделенности (Черешнев, 1982).
4.2. Дифференциация гольцов рода Salvelinus в бассейне Кроноцкого озера.
Исследован уровень генетической дифференциации мтДНК между симпатричными озерными популяциями S. kronocius, S. schmidti, S. albus и предполагаемым предковым видом S. m. malma (Oleinik, Skurikhina, 2010). На основе сравнения показателей разнообразия шести участков мтДНК установлено, что генетическая дифференциация между популяциями гольцов не имеет одного вектора направления, не связана с изменениями в каком-либо одном гене, а затрагивает весь митохондриальный геном. Поэтому анализ небольших участков мтДНК или определение нуклеотидных последовательностей ограниченного числа генов является малоэффективным при исследовании данной группы.
Согласно генеалогии гаплотипов мтДНК, филогенетические группы S. albus, S.
schmidti и S. kronocius, несомненно, дивергировали от S. m. malma, сохранив черты предкового полиморфизма (рис. 7). Присутствие в центре всех генеалогических деревьев одного из основных гаплотипов северной мальмы, подтверждает, что в настоящий момент между S. albus, S. schmidti, S. kronocius и S. m. malma наблюдается неполное расхождение митохондриальных линий. Степень дивергенции между симпатричными популяциями гольцов (0.0061–0.0289%) не превышают диапазон внутривидовой изменчивости S. m. malma. При этом большая часть молекулярного разнообразия приходится на внутрипопуляционную компоненту (93% дисперсии), а различия между популяциями вносят меньший вклад в общую изменчивость (7% дисперсии) (табл. 1).
Рис. 7. Генеалогическая сеть (MJ-анализ) гаплотипов мтДНК гольцов бассейна оз.
Кроноцкого: а – S. m. malma;
б – S. albus;
в – S. schmidti;
г – S. kronocius. На ветвях указаны мутационные различия между гаплотипами;
размер окружностей пропорционален количеству гаплотипов. Серым цветом обозначены общие гаплотипы у озерных гольцов и S.
m. malma.
Таблица Иерархический анализ межпопуляционных гаплотипических различий гольцов рода Salvelinus в зонах симпатрии (Excoffier et al., 1992) Уровень разнообразия Процент Индекс Вероятность (p) d.f.
дисперсии (%) Между популяциями S. albus 1 2.24 0.02238 0. (р. Радуга, оз. Кроноцкое) Внутри популяций 56 97. Между группами S. albus и 1 4.86 0.04864 0. S. m. malma Между популяциями внутри групп 2 6.31 0.06306 0. Внутри популяций 111 88.83 0.11170 0. Между популяциями S. m. malma, 3 6.78 0.06776 0. S. albus, S. kronocius, S. schmidti Внутри популяций 151 93. Между группами S. taranetzi и 1 85.95 0.85950 0. S. m. malma) Между популяциями внутри групп 2 3.35 0.0335 0. Внутри популяций 37 10.70 0.89300 0. Между популяциями Salvelinus sp. 4 и 1 93.10 0.93098 0. S. m. malma Внутри популяций 76 6. Между группами S. levanidovi и 1 96.70 0.96698 0. S. m. malma Между популяциями внутри групп 5 0.35 0.00354 0. Внутри популяций 91 2.95 0.97052 0. Между группами S. taranetzi, Salvelinus 1 82.57 0.82573 0. sp. 4, S. krogiusae и S. m. malma Между популяциями внутри групп 6 11.60 0.11601 0. Внутри популяций 102 5.83 0.94174 0. На основе проведенного исследования сделан вывод, что низкие оценки дивергенции мтДНК отражают не уровень репродуктивной изоляции между S. albus, S. schmidti, S. kronocius и S. m. malma, а небольшой временной период с момента расхождения предковых линий, и обусловлены с одной стороны предковым полиморфизмом, с другой – обменом гаплотипами между дивергировавшими группами в результате вероятной исторической интрогрессивной гибридизации.
Именно эти факты, по нашему мнению, ограничивают возможность использования результатов анализа мтДНК для обоснования гипотез происхождения симпатричных гольцов оз. Кроноцкого. Но одновременно, полученные результаты расширяют представление об эволюции гольцов в Кроноцком озере, как модельном водоеме для исследования общих механизмов дивергенции симпатричных популяций в относительно недавно сформировавшихся экосистемах.
4.3. Дифференциация Salvelinus malma malma и Salvelinus taranetzi в бассейнах озер Аччен и Пекульнейское. Получены доказательства, что морфологически и экологически различные популяции S. taranetzi и S. m. malma генетически строго дифференцированы при симпатрическом обитании в двух озерных экосистемах. Разложение общей молекулярной дисперсии частот гаплотипов популяций S. m. malma и S. taranetzi показало, что большая часть молекулярного разнообразия приходится на межгрупповую компоненту (86% дисперсии), когда в качестве групп был выбран таксономический уровень объединения (табл. 1).
Дивергенция между филогенетическими группами гаплотипов S. taranetzi и S. m.
malma (2.1%) значительно превосходит диапазон внутривидовой изменчивости S. m.
malma и не могла быть достигнута после колонизации озер в условиях симпатрии. Об этом также свидетельствует анализ генеалогии гаплотипов мтДНК S. taranetzi и S. m.
malma (рис. 8). Приведены доказательства отсутствия потока генов между симпатричными популяциями S. taranetzi и S. m. malma. Суммируя все имеющиеся данные, можно утверждать, что современные зоны симпатрии S. taranetzi и S. m.
malma в озерах Аччен и Пекульнейское возникли в результате вторичного контакта аллопатричных популяций, которые эволюционировали в изолированных рефугиумах.
Рис. 8. Генеалогическая сеть (MJ-анализ) гаплотипов мтДНК гольцов рода Salvelinus: а – S.
taranetzi и S. m. malma из оз. Аччен и оз. Пекульнейское;
б – Salvelinus sp. 4 и S. m. malma из бассейна оз. Начикинское;
в – S. taranetzi, Salvelinus sp. 4, S. krogiusae;
г – S. levanidovi и S. m.
malma из р. Яма. На ветвях указаны мутационные различия между гаплотипами;
размер окружностей пропорционален количеству гаплотипов. Серым цветом обозначены гаплотипы S. m. malma.
4.4. Дифференциация Salvelinus malma malma и Salvelinus sp. 4 в озере Начикинское. Получены доказательства строгой генетической дифференциации Salvelinus sp. 4 и S. m. malma в Начикинском озере (Олейник, Скурихина, 2007). По уточненным данным, Salvelinus sp. 4 не имеет общих гаплотипов не только с симпатричной популяцией S. m. malma, но и с аллопатричными популяциями S. m.
malma, S. taranetzi, S. krogiusae. Соотношение оценок дивергенции между симпатричными и аллопатричными популяциями свидетельствует о репродуктивной изоляции популяций Salvelinus sp. 4 и S. m. malma. Распределение молекулярного разнообразия мтДНК между тестируемыми популяциями существенно отклоняется от обнаруженных закономерностей для S. m. malma, так как основная доля молекулярной дисперсии (93%) приходится на различия между группами Salvelinus sp. 4 и S. m. malma (табл. 1).
Согласно генеалогическому анализу (рис. 8), филогенетическая группа гаплотипов Salvelinus sp. 4 минимальным числом нуклеотидных замен связана с группой S. taranetzi. На основе анализа собственных и литературных данных предполагается, что: 1) Salvelinus sp. 4 дивергировал от общего предка с S. taranetzi, а не от симпатричной с ним S. m. malma;
2) Salvelinus sp. 4, S. taranetzi и S. krogiusae являются филогенетически близкими таксонами;
3) появление современной зоны симпатрии в оз. Начикинском связано с вторичным контактом аллопатричных предковых популяций;
4) изолированное оз. Начикинское могло быть отдельным рефугиумом на протяжении всего периода позднего висконсинского оледенения;
5) Salvelinus sp. 4 является реликтом одного из первых вселений общего предка в бассейн Тихого океана (Олейник, Скурихина, 2007).
4.5. Дифференциация Salvelinus malma malma и Salvelinus levanidovi в бассейне реки Яма. Согласно популяционно-генетическому и генеалогическому анализам, S. m. malma и S. levanidovi надежно дифференцируются в местах симпатрического обитания, и представляют сильно дивергировавшие филогенетические группы (рис. 8). Оценки дивергенции нуклеотидных последовательностей мтДНК между S. levanidovi и симпатричными и аллопатричными популяциями S. m. malma (7.2–7.5%) статистически достоверно не отличаются и значительно превышают уровень межпопуляционной дивергенции S. m.
malma. Такой уровень дивергенции не мог быть достигнут в условиях симпатрии при частоте мутаций обычно подразумеваемой для мтДНК (Brown et al., 1979;
Smith, 1992). Одновременно, это свидетельствует о том, что между современными симпатричными популяциями в р. Яма отсутствует поток генов.
На основе полученных данных утверждается, что зона симпатрии в бассейне р.
Яма появилась в результате вторичного контакта аллопатричных популяций. При этом первым вселенцем, вероятно, был S. levanidovi. Сформулирована гипотеза, согласно которой предковая популяция S. levanidovi длительное время сохранялась в районе палео-Пенжинской низменности, являющейся одним из самых крупных рефугиумов в плейстоцене (Черешнев и др., 1989).
4.6. Заключение. Исследованные экосистемы северо-востока Евразии представляют разные модели зон симпатрии. Условно их можно разделить на две группы. Для первой характерно симпатрическое существование удаленных, давно дивергировавших популяций гольцов, для второй – молодых, дивергировавших относительно недавно. Попытки обнаружить генетическую дифференциацию на основе анализа изменчивости мтДНК между симпатричными популяциями гольцов, обитающими в озерных экосистемах, во многих случаях не привели к положительным результатам (Danzmann et al., 1991;
Brunner et al., 1998, 2001;
Радченко и др., 2006;
Салменкова и др., 2005;
Alekseyev et al., 2009). Был сделан вывод о том, что низкие разрешающие возможности связаны с общим невысоким уровнем разнообразия мтДНК гольцовых рыб, исторические ареалы которых находились на территориях циклических оледенений в плейстоцене (Brunner et al., 2001). Тем не менее, очевидно, что мтДНК в качестве молекулярного маркера оказывается достаточно эффективным инструментом при решении задач дифференциации и определения степени дивергенции между симпатричными популяциями гольцов, представляющими удаленные филогенетические линии (Олейник и др., 2003, 2004;
Олейник, Скурихина, 2007).
Рис. 9. Филогенетические отношения гольцов рода Salvelinus на основе PCR-RFLP анализа участков мтДНК: ND1/ND2, Cytb/D-loop, ND5/ND6. Топология консенсусного дерева гаплотипов мтДНК соответствует дендрограммам, полученным методом NJ (дистанции: Nei, Tajima, 1981;
Nei, Miller, 1990), MP (heuristic search, l – 278, CI – 0.5395, RI – 0.9047). Узлы с максимальной статистической поддержкой (BS 98%) обозначены черным кружком, с умеренной поддержкой – светлым.
Результаты филогенетического анализа, представленные в виде топологии консенсусного дерева гаплотипов мтДНК (рис. 9), свидетельствуют не только о значительной дивергенции между симпатричными популяциями гольцов в озерах Аччен, Начикинское, Дальнее, Пекульнейское и реке Яма, но и предполагают их происхождение от разных предковых линий. Поэтому ни один из гаплотипов мтДНК S. taranetzi, Salvelinus sp. 4, S. krogiusae и S. levanidovi нельзя считать производным от гаплотипов симпатричной S. m. malma или аллопатричного S. alpinus. В этом случае появление обсуждаемых современных зон симпатрии связано с вторичным контактом предковых популяций. Генеалогический анализ также свидетельствует о существовании значительно дивергировавших филогенетических групп, каждая из которых коалесцирует к собственному предковому гаплотипу мтДНК.
Данный вывод противоречит гипотезам о формировании биоразнообразия гольцов в пресноводных водоемах Голарктики в результате симпатрической дивергенции от исходного проходного морского экотипа мальмы (Савваитова, 1989), или диверсификации единой популяции на самостоятельные репродуктивно обособленные единицы (Behnke, 1981, 1989;
Jonsson, Jonsson, 2001). Показано, что не существует общей модели образования зон симпатрии даже в пределах достаточно ограниченного географического региона. Напротив, более вероятно, что уникальные геологические и экологические условия отдельных водоемов способствовали реализации той или иной эволюционной траектории. Анализ мтДНК, в совокупности с кариологическими, генетико-биохимическими и морфологическими данными, следующим образом моделирует эволюцию исследованных симпатричных популяций гольцов рода Salvelinus:
– вторичный контакт предков значительно дивергировавших филетических линий (озера Аччен, Пекульнейское, Начикинское, Дальнее, р. Яма), который в некоторых случаях, вероятно, мог сопровождаться исторической интрогрессивной гибридизацией;
– множественные вселения предковых популяций близкородственных филетических линий, дивергировавших в разных рефугиумах, объединяющиеся с интрогрессивной гибридизацией (бассейн р. Камчатка).
Все примеры обсуждаемых выше зон симпатрии гольцов рода Salvelinus показали соответствие направлений экологической, морфологической и генетической дифференциации. Таким образом, в рамках проведенного генетического анализа, получено подтверждение сформулированной ранее гипотезы (Викторовский, 1978;
Глубоковский и др., 1979;
Глубоковский, 1995), что основными факторами возникновения биоразнообразия у гольцов были пространственная изоляция и различия конкретных биоценозов, в которых проходила самостоятельная эволюция дивергировавших популяций.
Глава 5. ФИЛОГЕНИЯ ГОЛЬЦОВ РОДА SALVELINUS ПО ДАНЫМ PCR-RFLP АНАЛИЗА МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК 5.1. Обзор исследований по систематике и филогении гольцов рода Salvelinus. Гольцы являются важной составной частью арктических и субарктических пресноводных экосистем Европы, Восточной Сибири, Северо-Востока Азии и Северной Америки, относящихся к бассейнам Тихого, Атлантического и Северного Ледовитого океанов. При этом степень морфоэкологической изменчивости гольцов оказалась намного выше, чем у других представителей ихтиофауны северных арктических сообществ. Этот род голарктических рыб представляет уникальный природный материал для изучения процессов эволюции и возникновения биоразнообразия на видовом и внутривидовом уровнях (Викторовский, 1978;
Глубоковский, 1995;
Черешнев и др., 2002;
Adams et al., 2007).
В разделе дан обзор филогенетических отношений гольцов на основе морфологических, кариологических и генетических маркеров. Отмечается, что, несмотря на большое количество исследований, к настоящему времени не удалось синтезировать все имеющиеся данные в обобщенную филогению митохондриальных групп, согласованную с морфологической филогенией рода. Филогенетические взаимоотношения гольцов остались неразрешимы, поскольку были выявлены, во первых, полифилия внутри S. malma, S. alpinus и S. confluentus, во-вторых, парафилетические отношения S. malma с S. alpinus, S. malma с S. confluentus, S. alpinus с S. confluentus (Grewe et al., 1990;
Brunner et al., 2001;
Redenbach, Taylor, 2002;
Elz, 2003;
Oleinik et al., 2007;
Taylor et al., 2008;
Alekseyev et al., 2009).
5.2. Филогенетические отношения между гаплотипами мтДНК гольцов рода Salvelinus. На собственном материале изучена генетическая дивергенция гольцов, представляющих следующие таксоны рода Salvelinus: S. albus, S. a. alpinus, S. a.
oquassa, S. andriashevi, S. confluentus, S. krogiusae, S. kronocius, S. leucomaenis, S.
levanidovi, S. m. malma, S. curilus (S. m. krascheninnikovi), S. m. lordi, S. schmidti, S.
taranetzi, Salvelinus sp. 4. Для установления уровня межродовых отличий и в качестве ближайшей внешней группы рассматривали атлантического лосося Salmo salar.
Филогенетический анализ объединил два последовательных этапа реконструкций на основе PCR-RFLP анализа трех (ND1/ND2, Cytb/D-loop, ND5/ND6) и шести (ND1/ND2, Cytb/D-loop, ND5/ND6, ND3/ND4L/ND4, A8/A6/COIII, COI/COII) участков мтДНК, с использованием дистанционных (UPGMA, NJ) и признаковых (MP, BI) методов.
Независимо от набора признаков отсутствуют принципиальные изменения как в группировке филогенетических групп гаплотипов, так и в последовательности присоединения ветвей внутри кластеров, объединяющих близкие таксоны гольцов.
Определяются несколько групп гаплотипов, дифференцирующих таксоны гольцов: S.
levanidovi (BS 98%), S. leucomaenis (BS 98%), S. curilus (S. m. krascheninnikovi) (BS 98%), S. taranetzi (BS 50%), Salvelinus sp. 4 (BS 85%), S. alpinus (BS 98%), S. m.
lordi (BS 98%), S. confluentus (BS 98%). К статистически достоверным элементам топологии относятся следующие макрокластеры гаплотипов мтДНК: 1) ((S. m. malma, S. albus, S. kronocius, S. schmidti) S. alpinus) (BS 94%);
2) ((S. taranetzi, S. andriashevi, S. krogiusae) Salvelinus sp. 4) (BS 96%);
3) (S. m. lordi, S. confluentus) (BS 50%).
Увеличение числа признаков, во-первых, приводит к разрешению политомии в основании дерева и определяет дивергенцию трех базальных ветвей S. leucomaenis, S.
levanidovi и S. curilus (S. m. krascheninnikovi);
во-вторых, позволяет установить последовательность дивергенции в группе гаплотипов (S. taranetzi, S. krogiusae, S.
andriashevi). В то же время, увеличение числа признаков не отразилось на структуре кластера гаплотипов группы (S. m. malma, S. albus, S. kronocius, S. schmidti), в которой не наблюдается устойчивых структурных элементов, связанных с предполагаемой таксономической дифференциацией.
5.3. Филогенетические взаимоотношения гольцов рода Salvelinus по данным анализа мтДНК. Для определения последовательности дивергенции и реконструкции филогенетических отношений гольцов рода Salvelinus был использован кладистический подход (Hennig, 1966), ранее успешно применявшийся при исследовании филогении лососевых рыб (Олейник, 1994, 1997). На основе результатов кладистического анализа, а также фенетического и филогенетического анализов гаплотипов мтДНК была реконструирована филограмма, представляющая дивергенцию материнских филогенетических линий гольцов рода Salvelinus (рис. 10).
Из филограммы следует, что в эволюции группы существовало четыре цикла дивергенции. Первые включают последовательную дивергенцию базальных ветвей S.
levanidovi, S. leucomaenis, S. curilus (S. m. krascheninnikovi), и более позднее разделение филума общего предка рода. Следующий цикл привел к формированию филогенетических групп S. alpinus и S. m. malma в одной филетической ветви.
Одновременно с этим, второй филум дивергировал на общего предка S. confluentus и S. m. lordi, а также общего предка филогенетической группы S. taranetzi. На последнем этапе эволюции происходила диверсификация таксонов внутри филогенетических групп.
Рис. 10. Филогенетические отношения гольцов рода Salvelinus по данным анализа ND1/ND2, Cytb/D-loop, ND5/ND6, ND3/ND4L/ND4, A8/A6/COIII, COI/COII фрагментов мтДНК:
консенсусная филограмма. Внешняя группа Salmo salar. Узлы с максимальной статистической поддержкой (BS 98%, PP 0.98) обозначены черным кружком, с умеренной поддержкой – светлым. Показаны значения PP/BS для BI- и ML-деревьев (выше оси), BS/BS для NJ- и MP-деревьев (ниже оси).
Согласно филограмме подтверждаются монофилетические группы гольцов, маркируемые соответствующими филогенетическими группами гаплотипов мтДНК:
(S. m. lordi, S. confluentus);
((S. taranetzi, S. andriashevi, S. krogiusae) Salvelinus sp. 4);
((S. confluentus, S. m. lordi) (Salvelinus sp. 4, S. krogiusae, S. taranetzi, S. andriashevi));
(S. m. malma, S. albus, S. kronocius, S. schmidti);
((S. m. malma, S. albus, S. kronocius, S.
schmidti) S. alpinus). Cопоставление топологий кладограмм и оптимальных деревьев, построенных для разного рода терминальных групп, свидетельствует, что использованный комплекс признаков содержит филогенетический сигнал о структуре анализируемого биоразнообразия.
5.4. Филогенез гольцов рода Salvelinus: вероятная модель эволюции.
Сравнительный анализ дендрограмм, полученных на основе генетических данных (Grewe et al., 1990;
Phillips et al., 1995, 1999;
Phillips, Oakley, 1997;
Олейник, Скурихина, 1999;
Brunner et al., 2001;
Elz, 2003;
Crespi, Fulton, 2004;
Радченко, 2005;
Шубина и др., 2006;
Oleinik et al., 2007;
Hubert et al., 2008;
Taylor et al., 2008;
Yamamoto et al., 2012;
и др.), позволил с большей степенью надежности подтвердить последовательность дивергенции и эволюционные связи гольцов рода Salvelinus. Для тестирования присутствия филогенетического сигнала также привлекались данные об эволюции кариотипов (Викторовский, 1978;
Phillips et al., 1994;
Фролов, 2000;
и др.).
Согласно молекулярно-генетическим исследованиям, род Salvelinus является достоверно монофилетическим. Базальным филумом, наиболее близким к общему предку рода, вероятно, является американская палия S. fontinalis. К базальным таксонам также относятся S. namaycush, S. levanidovi, S. leucomaenis, S. curilus (S. m.
krascheninnikovi). Для этой группы показано совпадение темпов и направления эволюции разных генетических маркеров, поскольку перечисленные таксоны представляют две кариологические линии (S. fontinalis, S. namaycush, S. levanidovi) и (S. leucomaenis, S. m. krascheninnikovi), первая из которых объединяет виды с наиболее примитивными кариотипами среди гольцов (Фролов, 2000). Отмечается, что S. curilus (S. m. krascheninnikovi) выступает в качестве сестринской группы по отношении ко всем остальным таксонам гольцов. Следующий этап филогенеза связан с разделением общего предкового ствола на два филума, дивергенция которых привела к образованию четырех монофилетических групп. Несмотря на некоторые топологические расхождения, генетические данные хорошо согласуются с предложенной филогенетической гипотезой.
В разделе дан подробный анализ основным противоречиям между молекулярно генетическими и морфологическими представлениями о филогенезе гольцовых рыб, относительно положения филумов S. namaycush, S. alpinus, S. curilus (S. m.
krascheninnikovi), S. boganidae, S. neiva и S. confluentus. Суммируя результаты обсуждения, можно заключить:
– отсутствие соответствия в дивергенции базальных ветвей рода Salvelinus может быть связано с разной скоростью эволюции морфологических и генетических маркеров;
– филогенетическое положение ветвей S. alpinus, S. taranetzi, S. curilus (S. m.
определяется конвергентным сходством по отдельным krascheninnikovi) морфологическим признакам;
– противоречия в отношении нейвы S. neiva и боганидской палии S. boganidae, вероятно, связаны с интрогрессией мтДНК;
– неустойчивое положение S. confluentus определяется как небольшим числом морфологических синапоморфий, так и присутствием конфликтных филогенетических сигналов в топологиях дендрограмм, построенных на основе индивидуальных генов.
Предложенная гипотеза в той или иной степени вступает в конфликт с гипотезами морфологической эволюции рода. В наибольшей степени это касается существования общей филогенетической линии S. alpinus соmplex (Savvaitova, 1980, Савваитова, 1989) или S. alpinus соmplex и S. malma соmplex (Behnke, 1984, 1989).
Митохондриальная филогенетическая группа не соответствует полностью S. malma соmplex, так как не включает S. curilus (S. m. krascheninnikovi) и S. m. lordi. В рамках S. alpinus соmplex также не все морфологические эволюционные группы поддерживаются генетическими данными (Brunner et al., 2001;
Осинов и др., 2003;
Alekseyev et al., 2009).
5.5. Биогеография и эволюция географических границ основных филетических митохондриальных линий гольцов рода Salvelinus. Внесены уточнения в существующие представления об эволюции географических границ филогенетических групп гольцов рода Salvelinus. Предложена биогеографическая модель изоляции и реколонизации из аллопатричных рефугиумов, включающая описание границ современного распространения, зон симпатрии и возможных областей исторического вторичного контакта. Биогеографическая схема содержит расширенный таксономический состав филогенетических групп гольцов, объединяя результаты исследований филогеографии гаплотипов мтДНК (Wilson et al., 1996;
Taylor et al., 1999, 2008;
Brunner et al., 2001;