Введение к работе
Актуальность темы исследования. Интенсивное развитие молекулярной сравнительной геномики животных в последние годы подтвердило высказанное ранее цитогенетиками (Dobzhansky, 1970) заключение о том, что хромосомные перестройки и, прежде всего, инверсии, играют ведущую роль в дивергенции геномов при видообразовании (Kumar etal, 2001; Zdobnov etal, 2002; Eichler, Sankoff, 2003; Marques-Bonet et ah, 2004; Severson et ah, 2004; Ayala, Coluzzi, 2005; Kirkpatrick, 2010). Использование молекулярных методов при сравнении линейной организации геномов животных из самых разных таксонов позволило выявить значительно большее число хромосомных перестроек, изменявших порядок генов в геномах при видообразовании, чем это удавалось цитогенетикам при анализе хромосом, но это не уменьшило значение хромосомного анализа при изучении дивергенции геномов животных в процессе видообразования, а, напротив, привлекло еще большее внимание к проблеме роли хромосомных перестроек в дивергенции геномов (Kirkpatrick, 2010). В настоящее время ключевым направлением в сравнительной геноми-ке является определение числа и локализации хромосомных разрывов в геноме, изменяющих линейный порядок генов в группах сцепления, что позволяет реконструировать филогенетическую историю видов и более крупных таксонов. Наиболее удобной моделью для изучения роли хромосомных перестроек в эволюции геномов служат политенные хромосомы Diptera, и, в особенности, политенные хромосомы видов рода Chironomus, широко распространенных по всему миру и обитающих в самых разнообразных экологических условиях, что позволяет оценивать взаимосвязь хромосомных перестроек и факторов среды.
Кариотипы видов рода Chironomus строго видоспецифичны за счет фиксированных хромосомных перестроек: реципрокных транслокаций целых хромосомных плеч и инверсий. Это дает возможность определять локализацию границ разрывов хромосомных перестроек, их спектр у разных видов и восстанавливать цитогенетическую историю каждого вида (Keyl, 1957,1961,1962; Martin, 1966, 1979, 2011, 2012a,b; Wulker, 1973, 1980, 2010; Michailova, 1989; Michailova etal, 2007; Кикнадзе и др., 1989,1991, 1996, 2004, 2008; Kiknadze et ah, 2010; Петрова, 1989,1990; Шобанов, 2000,2002а,б).
До последнего времени эти исследования проводились в основном на видах рода Chironomus, принадлежащих к цитокомплексу «thummi». Виды данного цитокомплекса имеют сочетание хромосомных плеч АВ (хромосома I), CD (хромосома II), EF (хромосома III), G (хромосома IV). В роде Chironomus имеется еще ряд других цитокомплексов, кариотипы видов этих цитокомплексов различаются сочетанием хромосомных плеч: АЕ CD EF G (цитокомплекс «pseudo-thummi»), AC ED FB G (цитокомплекс «parathummi») и др. (Keyl, 1962).
Малоизвестно, насколько закономерности хромосомной эволюции, выявленные в цитокомплексе «thummi», характерны для других цитокомплексов. Наличие в кариотипах видов других цитокомплексов транслоцированных хромосом сильно изменяет линейную структуру геномов, что может влиять как на хромосомный полиморфизм, так и на активность генов. В связи с этим,
необходимо сравнить закономерности хромосомной эволюции у видов рода Chironomus из цитокомплексов «thummi» и «pseudothummi», различающихся транслокацией плеч в двух из четырех хромосом кариотипа: АВ и EF (цито-комплекс «thummi»), АЕ и BF (цитокомплекс «pseudothummi»).
Изучение кариотипов у видов рода Chironomus из разных цитокомплексов представляет собой удобную модель для сравнительной геномики, т.к. позволяет оценить вклад различных типов хромосомных перестроек и их сочетаний в дивергенцию геномов при видообразовании.
Цели и задачи работы. Цель настоящей работы — изучить хромосомный полиморфизм, спектр и локализацию точек инверсионных и траслокацион-ных разрывов хромосом, приводящих к изменению линейной структуры генома при дивергенции кариотипов в процессе видообразования, у видов рода Chironomus из цитокомплекса «pseudothummi», а так же сравнить комплексное влияние реципрокных транслокаций целых хромосомных плеч и парацентрических инверсий на эволюцию хромосом видов рода Chironomus из цитокомплексов «thummi» и «pseudothummi».
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
-
Изучить кариотипы видов рода Chironomus из цитокомплекса «pseudothummi» в природных популяциях Западной Сибири и Восточной Европы.
-
Определить спектр и уровень хромосомного полиморфизма в популяциях изучаемых видов и оценить объемы их кариофондов. Сравнить характеристики межпопуляционного хромосомного полиморфизма у видов рода Chironomus из цитокомплексов «pseudothummi» и «thummi».
-
Определить спектр, частоты и локализацию точек инверсионных разрывов в хромосомах рода Chironomus у видов из цитокомплекса «pseudothummi» и сравнить их с таковыми у видов из цитокомплекса «thummi».
-
Установить филогенетические связи между видами рода Chironomus из цитокомплекса «pseudothummi» на основании объединения данных о числе хромосомных разрывов между парами последовательностей дисков в хромосомных плечах.
5. Изучить особенности структуры центромерных районов в транслоцирован-
ных хромосомах АЕ и BF у изученных видов цитокомплекса «pseudothummi»
в сравнении с хромосомами АВ и EF у видов цитокомплекса «thummi».
Научная новизна. На основе детального цитогенетического анализа описа
на структура кариотипов видов рода Chironomus из цитокомплекса «pseudo
thummi» (С. pseudothummi, С. melanescens, С. sp. prope uliginosus, С. «dorsalis») в
природных популяциях Западной Сибири и Восточной Европы, впервые про
ведено картирование хромосомных плеч С и D у этих видов. Созданы цитофо-
токарты кариотипов изученных видов. Вид С. uliginosus впервые обнаружен в
Сибири, установлены существенные цитогенетические различия между евро
пейскими и сибирскими популяциями (С. uliginosus в Европе, С. sp. prope uligi
nosus {С. uliginosus2] в Сибири). Впервые определены объемы кариофондов
изученных видов.
С помощью компьютерного анализа впервые определено число и хромосомная локализация инверсионных разрывов в геномах 70 видов рода Chiro-
nomus из цитокомплекса «thummi» и 55 видов из цитокомплекса «pseudo-thummi», выявлены четкие различия по числу и локализации этих разрывов между данными цитокомплексами.
На основании числа инверсионных разрывов между парами последовательностей дисков (ПД) построено филогенетическое дерево для видов рода Chironomus из цитокомплекса «pseudothummi» и продемонстрирована континент-специфическая корреляция дивергенции ПД в политенных хромосомах изученных видов.
Впервые в кариотипе у одного из видов рода Chironomus из цитокомплекса «pseudothummi» — С. «dorsalis» — в хромосомах АЕ и BF выявлено по два диска несущих признаки центромерных: плотная упаковка с интенсивным окрашиванием ацет-орсеином, положительное С-дифференциальное окрашивание, гибридизация с ДНК, выделенной из центромерного диска нетраслоциро-ванной хромосомы CD. У остальных видов рода Chironomus из цитокомплекса «pseudothummi» в политенных хромосомах выявлено по одному центромерно-му диску, но эти диски, как правило, значительно тоньше, чем центромерные диски в политенных хромосомах видов рода Chironomus из цитокомплекса «thummi».
Научно-практическая ценность. Описание кариотипа и хромосомного полиморфизма позволяет надежно идентифицировать виды хирономид и уточняет их ареалы.
Количественные данные о спектре и уровне хромосомного полиморфизма у видов рода Chironomus, представленные в диссертации, могут служить основой при проведении биомониторинга для оценки нарушений наследственного материала при загрязнении водоемов.
Результаты работы по анализу числа и хромосомной локализации точек инверсионных разрывов в кариофондах видов расширяют представления о роли хромосомных перестроек в дивергенции линейной организации геномов при видообразовании. Они используются в курсе лекций по клеточной биологии в Новосибирском государственном университете.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Реципрокные транслокации хромосомный плеч сопровождаются изменением локализации и частот инверсионных разрывов в хромосомах.
-
Географическая изоляция является важным фактором дивергенции ПД политенных хромосом у видов рода Chironomus.
-
В центромерных районах хромосом АЕ и BF у вида С. «dorsalis» диски «С», 19ef и 28de обладают признаками центромер.
Личный вклад автора. Автор собрал и зафиксировал личинок Chironomus из цитокомплексов «pseudothummi» и «thummi» в природных популяциях Западной Сибири. Кроме того, им был также обработан материал по видам цитокомплекса «pseudothummi», накопленный в лаборатории. Автор лично приготовил препараты давленых политенных хромосом, окрашенных ацет-орсеином, С-дифференциальным окрашиванием и флуоресцентной in situ гибридизацией (FISH). Он лично участвовал в анализе по оценке числа и локализации точек инверсионных разрывов и в построении филогенетических деревьев.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2008), Международной конференции «Биоразнообразие, проблемы экологии Горного Алтая и сопредельных регионов: настоящее, прошлое, будущее» (Горно-Алтайск, 2008), Международной конференции по кариосистематике беспозвоночных животных «Карио-V» (Новосибирск, 2010), XVIII Международном симпозиуме по хирономидам (Trondheim, 2011), XIV съезде Русского энтомологического общества (Санкт-Петербург, 2012), отчетных сессиях ИЦиГ СО РАН в 2009 и 2012 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, и 7 тезисов докладов конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, результатов, обсуждения, выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 178 источников. Работа изложена на 145 страницах, содержит 72 рисунка и 17 таблиц.
