Введение к работе
Актуальность исследования. Проблемы видообразования, микроэволюции, филогеографии и структуры вида всегда остаются в ряду наиболее дискутируемых вопросов общей биологии, поскольку касаются основных принципов становления биологического разнообразия (Dobzhansky, 1937; Майр, 1968; Тимофеев-Ресовский и др., 1977; Захаров, 2003; Coyne, Orr, 2004; Smadja, Butlin, 2011). В последнее время интерес к этой проблематике еще более возрос, в связи с возможностями применения новых методических подходов. Вслед за развитием базовых молекулярных методов, в исследования зоологов и эволюционистов, широко вовлекаются быстро совершенствующиеся методы молекулярно-генетического анализа геномов, что существенно расширяет наши представления о структуре биологических видов, их происхождении, путях географического расселения и эволюции в целом. Кроме того, динамично развивается математический аппарат для обработки больших массивов разнообразных молекулярных данных (Hudson, Coyne, 2002; Butlin, 2010; Galindo et al., 2010).
Успех в получении новых знаний связан не только с применением арсенала современных методов, но, также, с выбором адекватных моделей для исследований. Не случаен, в этом смысле, повышенный интерес к комплексам близкородственных видов, формирующих симпатрические поселения и характеризующиеся, как правило, недавней эволюционной историей (Coyne et al., 2004; Лухтанов, 2010). Именно на примере таких комплексов близких, часто криптических видов, можно продуктивно тестировать гипотезы о модусах микроэволюционных процессов, обсуждать механизмы видообразования. С использованием этих модельных систем могут быть получены сведения о характере и роли межвидовых барьеров, включая механизмы экологической и репродуктивной изоляции близких видов. В макрогеографическом масштабе такие модели позволяют исследовать проблемы внутривидовой структуры и изменчивости, а также анализировать филогеографическую историю видов, в связи с их расселением и микроэволюционными событиями.
Морские брюхоногие моллюски рода Littorina – массовый и хорошо известный компонент литоральных сообществ побережий мирового океана. Два основных качества – широкое географическое распространение и высокая плотность поселений – позволили использовать виды рода в качестве объектов и моделей для проведения самых разнообразных биологических исследований (обзоры: ; ; ; ). Наличие в составе рода Littorina сестринских таксонов стало причиной для детального изучения морфологических особенностей, систематики видов и проведению филогенетических исследований (Williams et al., 2003; , 2012; ). Виды подрода Neritrema российских северных морей остаются наименее изученными представителями рода Littorina. Вплоть до последнего времени, в сводках по фауне литорали российских северных морей, подрод был представлен двумя видами – L. saxatilis и L. obtusata и только в 2006 году появилось первое упоминание о видах L. arcana и L. compressa (Кантор, 2006). В действительности, подрод состоит из комплекса пяти, морфологически сходных, криптических видов (Гранович и др., 2004). Наиболее интригующими, в изучении видов подрода Neritrema, являются противоречивые данные молекулярно-генетического анализа криптических видов группы “saxatilis” (Ward, Warwick, 1980; Knight, Ward, 1991; Crossland et al, 1993, 1996; Rumbak et al., 1994; Reid et al., 1996; Grahame et al, 1997; Small, Gosling, 2000; Wilding et al, 1999; Wilding et al, 2000 и др.). Филогенетические отношения в этой группе из трёх видов окончательно не могут быть определены на протяжении более чем 30 лет. Полученные ранее данные по анализу аллозимов, митохондриальных и ядерных генов противоречивы и комбинируют все возможные варианты филогенетической близости двух видов по отношению к третьему.
Комплекс североатлантических видов подрода Neritrema - эволюционно самый молодой, из всех ныне живущих литторинид (Reid et al., 2012), их изучение крайне актуально для понимания эволюции рода Littorina в целом, учитывая, что детальный анализ видов подрода Neritrema в российских северных морях ранее не проводился. Важно отметить, что существование популяций видов подрода Neritrema на северном краю ареала подчеркивает основные аспекты разделения экологических ниш, дает дополнительные сведения относительно эволюционной пластичности видов. Всё перечисленное выше определяет актуальность работы.
Цель работы: оценить пути эволюционного формирования комплекса криптических видов литоральных гастропод подрода Neritrema в морях Северной Атлантики на основе морфологических, экологических и молекулярно-генетических данных.
Задачи исследования:
1. Провести морфологическую ревизию видов рода Littorina подрода Neritrema на побережьях Баренцева и Белого морей, дать описание диагностических морфологических признаков.
2. Провести экологический анализ распределения видов на литорали в аллопатрических и симпатрических популяциях.
3. Использовать геномную ДНК литторин для поиска видоспецифичных генетических маркеров криптических видов группы “saxatilis”.
4. Провести тестирование молекулярных маркеров, используя массовой материал моллюсков группы “saxatilis” из разных географических популяций, и выявить видоспецифичные маркеры, пригодные для диагностики криптических видов группы.
5. Провести генетический анализ криптических видов литторин, на основе сравнения частот гаплотипов микросателлитной ДНК.
6. Провести генетический анализ видов литторин из разных географических популяций, на основе сравнения частот гаплотипов митохондриального гена цитохрома оксидазы b (cyt b) и ядерной ДНК.
7. Оценить эволюционный статус криптических видов на основе их морфо-биологических характеристик и сравнительного анализа геномной ДНК.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Моллюски рода Littorina подрода Neritrema на северо-восточной границе обитания представлены двумя группами криптических видов, а именно: группой “saxatilis” (Littorina saxatilis (Olivi 1792), L. compressa Jeffreys 1865, L. arcana Hannaford Ellis 1978) и группой “obtusata” (L. obtusata (Linnaeus 1758), L. fabalis (W.Turton 1825)).
2. Список видов подрода Neritrema для побережья Баренцева моря, включает пять видов: L. saxatilis, L. compressa, L. arcana, L. obtusata, L. fabalis; для побережий Белого моря – только три вида – L. saxatilis, L. obtusata, L. fabalis.
3. Видовой статус самок L. saxatilis и L. arcana подтвержден морфологическим описанием, анализом митохондриального и ядерного геномов и наличием фрагмента некодирующей ДНК А2.8 (клонированный нами RAPD фрагмент).
4. Самцы пары видов-двойников L. saxatilis и L. arcana характеризуются отсутствием морфологически дискретных признаков. Их видовая принадлежность определена амплификацией геномной ДНК, с праймерами к клонированному видоспецифическому RAPD фрагменту А2.8 самок L. arcana.
5. Существует межвидовое спаривание L. saxatilis и L. arcana в симпатрических природных популяциях, что показано на основе анализа партнеров в копулирующих парах видов группы “saxatilis”. Особи L. compressa в межвидовых спариваниях не участвуют.
6. Имеется межвидовая гибридизация видов-двойников L. saxatilis и L. arcana в симпатрических популяциях Баренцева и Норвежского морей. Частота распределения гибридных особей прямо пропорциональна частоте распределения родительских видов на литорали. В аллопатрических популяциях L. saxatilis межвидовые гибриды отсутствуют.
7. Среди криптических видов подрода Neritrema Северной Атлантики, виды группы “saxatilis” (L. saxatilis, L. compressa и L. arcana) представляют собой комплекс эволюционно молодых видов, L. saxatilis и L. arcana – виды с неполной репродуктивной изоляцией.
Научная новизна:
Впервые сделано детальное морфологическое описание самцов криптических видов L. saxatilis, L. compressa и L. arcana из симпатрических популяций Баренцева моря и самцов L. saxatilis из аллопатрических популяций Белого моря.
Впервые описаны популяционная структура и микропространственное распределение на литорали пяти симпатрических видов подрода Neritrema, показана приуроченность видов к разным горизонтам литорали, что может снижать конкуренцию видов за места обитания и пищевые ресурсы.
Впервые обнаружен видоспецифичный для L. arcana ДНК-маркер в составе геномной ДНК, пригодный для идентификации вида.
Впервые, на основе молекулярно-генетического анализа и морфологической идентификации видов, доказана возможность межвидовой гибридизации в паре видов-двойников L. saxatilis и L. arcana и наличие потока генов между ними. Новые данные объясняют противоречия в опубликованных ранее результатах молекулярно-генетических исследований этих видов.
Впервые получены данные по филогеографии криптических видов L. saxatilis, L. compressa и L. arcana из северо-восточных краевых популяций; прослежены филогенетические связи видов на основе ядерного и митохондриального геномов.
Теоретическая и практическая значимость. Научно-практическое значение полученных результатов состоит в ревизии видового состава моллюсков рода Littorina Белого и Баренцева морей, представители которого являются одним из наиболее массовых компонентов литоральной фауны. Проведенная работа закладывает надежный фундамент для практически ориентированных исследований, связанных с оценкой состояния окружающей среды, основанной на анализе литоральных сообществ; для проведения паразитологических исследований по изучению путей циркуляции паразитов морских птиц в сообществах арктических морей; для проведения мониторинговых исследований, направленных на выявление климатических флуктуаций в арктическом регионе. Описание комплекса из пяти видов подрода Neritrema имеет важное методическое значение, поскольку позволит активно использовать эти виды как модельные объекты для фундаментальных популяционных, паразитологических, физиологических и экологических исследований. Полученные результаты открывают перспективу для уточнения определения “биологического вида” в целом, а также углубляют знания о механизмах видообразования и являются перспективными для исследования механизмов эволюции геномов. Филогеографические данные могут быть использованы для реконструкции представлений об истории формирования фауны северных морей России.
Полученные результаты используются в курсах лекций для бакалавров и магистров Санкт-Петербургского государственного университета и при проведении практических занятий в курсе «Молекулярные методы в зоологии».
Апробация работы. Результаты работы были представлены и обсуждены на следующих научных мероприятиях: конференции “Проблемы изучения, рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря” (Архангельск, 1985), III Всесоюзном совещании “Фенетика популяций” (Москва, 1985), IV Всесоюзный симпозиум “Паразиты и болезни водных беспозвоночных” (Москва, 1986), Firth International Symposium on Littorinid Biology (Cork, Ireland, 1996), на семинарах Royal Belgian Institute of Natural Sciences (Brussels, Belgium, 1998, 2002), International Symposium on “Ecological Genetics” (Antwerp, Belgium, 2001), Второй Всероссийской школе по морской биологии “Морская флора и фауна северных широт: механизмы адаптации и регуляции роста организмов” (Мурманск, 2003), заседании Ученого Совета Института цитологии РАН (С.-Петербург, 2004), международной конференции «Сохранение генетических ресурсов» (Санкт-Петербург, 2004), научных сессиях Морской биологической станции СПбГУ (Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2005, 2008, 2010), World Congress of Malacology “Mollucan Megadiversity: Sea, Land and Freshwater” (Perth, Australia, 2004), Eighth International meeting on Littorinid biology (Slapton, UK, 2005), Малакологическом совещании “Моллюски: морфология, таксономия, филогения, биогеография и экология” (Санкт-Петербург, 2006), Establishment of Russian-Norwegian Benthos Net-Work (Troms, Norway, 2007), Ninth International Symposium on Littorinid Biology (Oia, Spain, 2008), Workshop in Conservation Genetics of Baltic Sea organisms (приглашенная лекция “Hybridization and Introgression” (Tjarno, Sweden, 2008), Международной российско-норвежской конференции “Taxonomic research and biodiversity assessment of zoobenthos in the seas of European sector of the Arctic (the Barents and the White Seas): results and perspectives of Russian Norwegian collaboration” (St.Petersburg, 2008), ”Arctic biology/Ecology – network creation” Meeting (Tromso, Norway, 2009), (Tjarno, Sweden, 2010), CONOR Symposium “Coordination and Integration of Norwegian, Polish and Russian research activities on Svalbard” (Svalbard, Norway, 2011), Tenth International Symposium on Littorinid Biology and Evolution (St.Petersburg, 2011), 57 Чтения, посвященные памяти В.А.Догеля (Зоологический институт РАН, С.-Петербург, 2012).
Благодарности. В работе, на разных ее этапах, принимали участие студенты и аспиранты Санкт-Петербургского государственного университета, за что автор выражает им самую искреннюю благодарность: Юлии Грачевой (Петровой), Зинаиде Старуновой (Лоскутовой), Алексею Максимовичу, Антонине Чернецкой, Елене Ганже, Владиславу Грабовому, Ольге Котенко. Особую благодарность я хочу выразить Юлии Грачевой - вместе мы получали первые трудоемкие данные по молекулярно-генетической идентификации видов-двойников, а также заведующему кафедрой зоологии беспозвоночных СПбГУ, д.б.н. Андрею Грановичу, моему коллеге и соавтору, вместе с которым мы начинали работать с видами литторин, будучи еще студентами и продолжаем работать по настоящее время. Я искренне признательна моему первому научному руководителю Сергиевскому Сергею Олеговичу, благодаря которому я познакомилась с объектом исследований и, который открыл для меня мир их удивительного полиморфизма. Выражаю большую благодарность Дэвиду Риду (Dr. David Reid, Museum of Natural History, London, UK), Тьерри Беккелью (Prof. Thierry Backeljau, Royal Belgian Institute of Natural Sciences, Brussels, Belgium); шведским коллегам Шештин Йоханнессон (Prof. Kerstin Johannesson) и Марине Пановой (Dr. Marina Panova) (University of Gothenburg, Sweden) - за неизменный интерес к работе, плодотворное обсуждение результатов и всестороннюю помощь. Марине я особенно благодарна за методическую помощь при выполнении микросателлитного анализа в лаборатории на морской станции Tjarno (Sweden). Искреннюю благодарность за поддержку на всех этапах работы выражаю заведующему Отделом клеточных культур, д.б.н., профессору Пинаеву Георгию Петровичу, директору Института цитологии РАН, чл.-корр. РАН, профессору Парфенову Владимиру Николаевичу и всем сотрудникам института.
Работа поддержана грантами РФФИ (02-04-48725-а., 05-04-58892-з, 07-04-01376-а, 07-04-10164-к, 08-04-08427-з, 08-04-10090-к, 09-04-01728-а, грантами Научной Программы Президиума Санкт-Петербургского Научного центра РАН (2007, 2008), грантами РФФИ 10-04-10039-к, 11-04-06047-г, 11-04-10040-к, 12-04-00312-а.
Публикации: по теме диссертации опубликована 41 работа, из них 17 в рецензируемых международных и отечественных периодических изданиях, рекомендованных ВАК, 5 статей в коллективных монографиях и сборниках трудов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 265 страницах, включающих 15 таблиц и 36 рисунков.
