Введение к работе
Актуальность проблемы. Саранчовые широко распространены в Голарктике и представляют одну из наиболее богатых по видовому разнообразию таксономических групп в отряде прямокрылых насекомых (Uvarov, 1966; Otte, 1981). Сочетание высокой стабильности кариотипов с интенсивными процессами дивергенции видов делает саранчовых уникальной модельной группой для изучения молекулярных механизмов эволюционных процессов. Базовый тип хромосомного набора у представителей этого семейства представлен 23 акроцентрическими хромосомами у самца и 24 акроцентрическими хромосомами у самки при хромосомном определении пола ХО(3^/ХХ5 (2п=22+Х0(3722+ХХ5). Этот вариант хромосомного набора характерен для большинства видов семейства Acrididae, однако в подсемействе Gomphocerinae описано большое количество видов, в кариотип которых включает 3 пары крупных метацентрических хромосом. Остальные хромосомы, в том числе Х-хромосома, -акроцентрики разной длины (2n=16+X0(37l6+XX5) (Cabrero, Camacho, 1986; Бугров и др., 1991). Предполагается, что такой тип хромосомного набора является производным от исходного 23-хромосомного предкового кариотипа в результате трех центрических слияний (Robertson, 1916; White, 1973). Об этом может свидетельствовать наличие в подсемействе видов с 23 хромосомами (Santos et al., 1983; Cabrero, Camacho, 1986; Бугров и др., 1991), а также видов с промежуточным числом хромосом Chorthippus hammarstroemi (2п=20+Х0(3^/ХХ5) и Eremippus sobolevi (2n=18+X0(37XX5) (Бугров и др., 1993). Считается, что эволюция кариотипов саранчовых проходила с уменьшением числа хромосом за счет робертсоновских слияний (White, 1973; Hewitt, 1979), поэтому можно предположить, что подсемейство Gomphocerinae является кариотипически наиболее продвинутым таксоном в семействе Acrididae.
Несмотря на богатую историю сравнительных кариологических исследований саранчовых, возможности линейной дифференциации хромосом саранчовых практически отсуствовали. Длительное время цитогенетики были ограничены методами рутинного и С-дифференпиального окрашивания хромосом, что затрудняло выяснение путей и механизмов кариотипической эволюции саранчовых. До сих пор стоит вопрос, является ли наблюдаемая стабильность кариотипов следствием малого количества изменений в геноме группы, либо она является результатом ограниченных возможностей использованных методов.
Другой отличительной особенностью саранчовых является то, что они обладают самыми большими по размеру геномами среди насекомых. Размер геномов саранчовых варьирует от 6000 до 20000 миллионов пар нуклеотидов (Bensasson et aL, 2001). Большинство работ по изучению организации геномов эукариот было выполнено на видах с геномами небольших или средних размеров. Хромосомная организация крупных геномов остается слабо изученной. Основная часть генома эукариот представлена повторенными последовательностями ДНК. Состав и распределение повторенных последовательностей в геномах саранчовых остаются практически неизученными. Одним из типов повторенных последовательностей являются
кластерированные повторы, которые образуют С-позитивные блоки и играют значительную роль в структурно-функциональной организации генома. Как было показано ранее, эти блоки проявляют высокую внутри- и межвидовую изменчивость по размеру и локализации, однако у саранчовых данных по молекулярному составу этих блоков и темпам их изменчивости крайне мало.
Методы молекулярной цитогенетики позволяют решать вопросы, связанные с эволюционной трансформацией хромосомных наборов. Эти методы успешно применяются в исследованиях ряда таксонов позвоночных (Ferguson-Smith, Trifonov, 2007), растений (Schubert et al., 2001) и насекомых (Panzera et al., 2010). Они были частично адаптированы и использованы также для исследований хромосом саранчовых (Lopez-Leon et al., 1995, 1999; Lopez-Fernandes et al., 2004; Cabrero et al., 1997; Cabrero et al., 2003a,b; Bugrov et al., 2003, 2004, 2007). Однако их применение ограничивалось лишь небольшим набором видов и последовательностей ДНК Большинство видов подсемейства Gomphocerinae остались за рамками этих исследований. Анализ локализации молекулярно-цитогенетических маркеров в хромосомах саранчовых подсемейства Gomphocerinae позволило по-новому взглянуть на вопросы кариотипической эволюции не только в пределах этого таксона, но и всего семейства настоящих саранчовых (Acrididae) в целом. Изучение молекулярной композиции С-позитивных блоков у саранчовых подсемейства Gomphocerinae представляет собой значительный вклад в понимание организации и эволюции геномов саранчовых и позволило лучше понять обшиє гфинпипьі организации больших по размеру геномов эукариот.
Цель настоящего исследования: описать распределение повторенных последовательностей ДНК в хромосомах видов подсемейства Gomphocerinae и оценить их возможную роль в кариотипической эволюции саранчовых.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Дать детальное описание кариотипов видов подсемейства Gomphocerinae, используя С-дифференпиальное окрашивание митотических хромосом из эмбриональных клеток изучаемых видов.
-
Провести сравнительный анализ локализации кластеров повторенных последовательностей гомологичных рибосомальной и теломерной ДНК в хромосомах ряда видов подсемейства Gomphocerinae.
-
Провести оценку уровня гомологии ДНК С-позитивных районов близких видов саранчовых подсемейства Gomphocerinae.
Научная новизна. Впервые описаны особенности локализации С-позитивных блоков в митотических хромосомах 15 видов саранчовых подсемейства Gomphocerinae.
Впервые определена локализация кластеров рибосомных и теломерных повторов в митотических хромосомах 13 ранее не изученных видов саранчовых.
Впервые было показано наличие субблоков, различающихся обогащенностью различными повторенными последовательностями ДНК, в прицентромерных С-позитивных блоках хромосом S. scalaris и A. sibiricus.
Практическая ценность. Полученные данные являются весомым вкладом в изучение кариотипического разнообразия видов саранчовых и дают новую информацию об организации их геномов. Особенности локализации ряда кластеров рДНК позволяют использовать их в качестве маркеров гомеологичных хромосом у близких видов. Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе. Полученные ДНК-библиотеки будут служить основой для дальнейшего изучения повторенных последовательностей, локализующихся в прицентромерных районах разных видов, что позволит лучше понять механизмы эволюционных процессов.
Положения, выносимые на защиту.
Крупные прицентромерные С-позитивные блоки хромосом саранчовых могут состоят из субблоков, отличающихся по молекулярному составу. Различия в размере и комбинации таких субблоков обуславливают хромосомо-спепифичную организацию прицентромерных районов хромосом близких видов саранчовых
Наличие интерстипиальных теломерных сайтов не характерно для саранчовых подсемейства Gomphocerinae
Апробация. Результаты работы были представлены на следующих конференциях: Международная научная студенческая конференция "Студент и научно-технический прогресс", Новосибирск, 2005, 2007; XII съезд Русского энтомологического общества, Краснодар, 2007; Отчетная конференция, посвященная памяти академика Ю.П. Алтухова, Москва, 2008; 17і International Chromosome Conference 2009. Boone, 2009; Международная конференция KARYO V, Новосибирск, 2010; 18і International Chromosome Conference 2011, Manchester, 2011.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и 8 тезисов докладов.
Личный вклад автора. Вся работа была выполнена автором самостоятельно либо при его непосредственном участии. Помощь в проведении FISH и приготовлении микродиссекпионных ДНК зондов оказывали Карамышева Т.В. и Рубцов Н.Б.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, обзор литературы, материалы и методы, результаты, обсуждение, выводы, список использованной литературы (168 источников). Работа изложена на 122 страницах, содержит 8 рисунков и 3 таблицы.
