Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Филогения ежей, землероек и кротов (Mammalia, insectivora) по результатам исследования ДНК: сопоставление с данными морфологии и цитогенетики

ВАК РФ 03.00.08, Зоология

Автореферат диссертации по теме "Филогения ежей, землероек и кротов (Mammalia, insectivora) по результатам исследования ДНК: сопоставление с данными морфологии и цитогенетики"

с

ОД

На правах рукописи

БАННИКОВА АННА АНДРЕЕВНА

ФИЛОГЕНИЯ ЕЖЕИ, ЗЕМЛЕРОЕК И КРОТОВ (маммаыа, insectívora) ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЯ ДНК: СОПОСТАВЛЕНИЕ С ДАННЫМИ МОРФОЛОГИИ И ЦИТОГЕНЕГИКИ

Специальность 03.00.08 - Зоология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВа - 1996

Работа выполнена на кафедре Зоологии позвоночных животных и общей экологии Биологического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Научные руководители: доктор биологических наук В.А. ДОЛГОВ кандидат биологических наук A.A. ЛОМОВ Официальные оппоненты: доктор биологических наук Э.В. Ивантер доктор биологических наук Н.Б. Петров

Ведущая организация: Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова Российской Академии Наук

Защита состоится . .1996 г.

в .-/¿Г.. часов . минут на заседании Диссертационного Совета Д 053.05.34 при Московском Государственном Университете им. М. В. Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ. Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, в 2-х экземплярах просим направлять по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет, Диссертационный совет Д 053.05.34.

Автореферат разослан

Ученый секретарь Совета кандидат биологических наук

Л. И. БАРСОВА

- 1 -ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В пределах разных групп отряда insectívora можно обнаружить самые различные уровни и ступени дивергенции, поэтому насекомоядные - это удобная и интересная модель для изучения филогенетических закономерностей. Морфологически и кариологически отряд изучают уже очень давно, но до сих пор нет единодушия по многим вопросам систематики и филогении группы. Между тем, данные по строению ДНК для решения этих проблем никогда не привлекались. Предлагаемая работа представляет собой первое геносистематическое исследование родственных отношений видов из трех семейств отряда insectívora - ежей, землероек и кротов.

Цель исследования : Выяснить уровень дивергенции геномов представителей отряда насекомоядных и сопоставить его с уровнем и направлением морфологической и кариотипической ди вергенции. Были поставлены следующие задачи: i) По данным рестриктазного анализа геномной ДНК установить родственные отношения видов ежей, землероек и кротов. 2) Изучить нуклеотидный состав -ДНК ежей, землероек и кротов. 3) Проанализировать родственные отношения видов на основе сопоставления их морфологии и кариотипов. 4) Выяснить, в какой мере полученные оценки молекулярно-генетического сходства видов соответствуют их фенотипической и таксономической близости. 5) Сопоставить уровень дивергенции ДНК в различных таксонах насекомоядных млекопитающих, б) Уточнить статус таксономически спорных форм на основе сопоставления их геномной ДНК. 7) Сопоставить результаты исслед <в.-лия с известными данными зоогеографии и палеогеографии с целью

выяснения вероятных форм и путей эволюции рассматриваемых груш.

Научная новизна. Впервые данные по строению ДНК привлекаются к решению вопросов систематики и филогенетики отряда insectívora. Предлагается молекулярный маркер, позволяющий различать виды и роды ежей, землероек и кротов, основанный на картине таксономического фингерпринта (таксонопринта) ДНК.

Теоретическая и практическая ценность. Результаты исследования вносят существенный вклад в понимание процессов эволюции сложного с точки зрения систематики отряда insectívora. Они пригодны для построения естественной классификации insectívora, объективно отражающей генетические связи изученных видов. Опробованный применительно к целям зоологии метод таксонопринта ДНК может быть использован специалистами систематики и эволюции в сходных молекулярно-генетических исследованиях.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации доложены на заседании кафедры Зоологии позвоночных животных и общей экологии МГУ (Москва, 1995); на Международной конференции по биохимии и молекулярной биологии памяти А. Белозерского (Москва, 1995). По теме диссертации опубликовано б статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и списка литературы. Содержание работы изложено на 296 страницах и включает 32 таблицы и 41 рисунок. Список литературы состоит из 313 названий, из них 168 на иностранных языках.

ГЛАВА I. ФИЛОГЕНИЯ НАСЕКОМОЯДНЫХ МЛЕКОПИТАЮЩИХ И СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СИСТЕМАТИКИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

В главе обсуждаются филогенетические связи насекомоядных с другими грушами и вопросы внутриотрядной систематики. Анализ литературы позволяет сделать вывод, что несмотря на многообразие и ценность всех имевшихся данных, в филогении insectívora остается много вопросов, решение которых возможно только с привлечением современных методов молекулярной систематики. Проблема в том, что одни из них обладают недостаточной разрешающей способностью для идентификации таксонов видового и даже родового ранга, а другие наоборот оказываются чрезмерно чувствительными. Решение проблемы - в методе, устанавливающем межвидовые различия геномов, но не выявляющем, по возможности, внутривидовой изменчивости. Этому требованию удовлетворяет метод таксономического фингерпринтинга ДНК - таксонопринт (Федоров и др., 1992).

ГЛАВА II. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Материал для молекулярных опытов получен от 22 ежей б

ВИДОВ ИЗ двух родов подсемейства Erinaceinae, 40 ЗвМЛероеК 14 видов из трех родов, 9 кротов 2 видов из двух родов и экземпляра русской выхухоли.

Выделение ДНК из фиксированных этанолом тканей проводили по методу Арриджи с соавторами (Arrigí et ai., 1968). Нукле-отидный состав ДНК в очищенных препаратах определяли, исходя из температуры их тепловой денатурации (Мандель, Мармур,197о) и с помощью колоночной хроматографии (Каграманова, 1980).

Дивергенцию ДНК насекомоядных изучали с помощью метода таксонопринта, представляющего собой адаптированный для целей систематики и филогенетики рестриктазный анализ ДНК,

позволяющий выявлять и изучать повторяющиеся последовательности генома.

Условия эксперимента, по рестриктазному анализу ДНК. На рестрикцию Орали о, 5 мкг нефракционированной ДНК, растворенной В 10 МКЛ буфера ТЕ (10 MM Trls; 1 MM ЭДТА; рН=7,5-8,0) и 5 ед. рестрикционного фермента. Смесь инкубировали при подходящей для данной рестриктазы температуре в течение 4-12 ч. В опытах использованы короткощепящие рестриктазы НПО "Еиотех" (Москва): Sau96I (Cfrl3I), Bspl43I (Sau3AI), Csp6I, TagI, Hinfi, Mspi, EC01301, Bcni (Cauii), bsuri. Для мечения укороченных ("липких") з1-концов рестриктных фрагментов методом достройки с помощью фрагмента Кленова ДНК-полимеразы

QO

Escherichia coli (МаНИЭТИС И Др., 1984) ИСПОЛЬЗОВЭЛИ [а-Р ]

dNTP или [а-р ]dNTP. Для электрофоретического фракционирования фрагментов ДНК в ю%-ом неденатурирующем полиакриламид-ном геле с использованием трис-боратного буфера (18 мМ Трис-нс1; 18 мМ борная кислота и о,4 мМ ЭДТА) брали з-5 мкл реакционной смеси. Высушенный после электрофореза гель подвергали радиоавтографии с пленкой PT-i ("Свема") или PM-i ("Тасма"), экспонируя 24-48 ч. Рентгеновские пленки обрабатывали в стандартном проявителе "Рентген-2". В качестве маркера длин рестриктных фрагментов использовали фрагменты плазмиды pBR322, гидролизованной рестриктазой Mspi.

В результате расщепления ДНК какой-либо рестриктазой образуются фракции высокоповторяющихся последовательностей ДНК. Фрагменты ДНК в каждой из этих фракций имеют одинаковую длину, выражаемую в нуклеотидных парах (н.п.). После электрофореза этих фрагментов, меченых радиоактивным фосфором, и последующей

радиоавтографии геля с рентгеновской пленкой, различные фракции обнаруживаются на радиоавтографе в виде набора дискретных полос в области от зо до soo н.п. Число и распределение этих полос по данным опытов со всеми рестрик-тазами в сумме было обработано на компьютере.

Математическая и компьютерная обработка данных таксоно-принта. Кладистическая обработка данных основана на Вагне-ровском парсимониальном анализе и выполнена по программам из пакета phylip, версия 3.5 (Felsenstein, 1993). Кластерный анализ проведен по программам из пакета ВОСТОРГ (Жарких, Ржецкий, 1990). Полученные в итоге согласованные дендрограм-мы представляют собой максимально экономные деревья, длины ветвей которых соответствуют числу изменения состояния признака, что принимается за генетическое расстояние. Для статистической оценки достоверности филогенетических реконструкций по результатам сопоставления распределения сайтов рестрикции в повторяющейся ДНК изученных групп насекомоядных применен bootstrap-анализ (Felsenstein, 1985).

Для морфологической характеристики популяций, из которых изымались зверьки для опытов, произведено 17 экстерьерных и краниальных измерений серийных экземпляров из наших сборов. Анализ морфологической и кариологической близости изученных видов ежей, землероек и кротов основан на данных литературы.

ГЛАВА iii. СЕМЕЙСТВО erinaceidae, ПОДСЕМЕЙСТВО erinaceinae

Картины электрофоретического фракционирования ДНК ежей

были одинаковы у всех особей одной популяции (например, ушастые ежи из Ашхабада и близлежащих окрестностей) и особей из различных популяций (ушастые ежи из Центрального Копетда-

га, Кара-Калы и Ташкента,- белогрудые ежи из Дагестана, Азербайджана, Рязанской и Брянской обл.). Но таксонопринты отличались видовой и родовой специфичностью: ДНК представителей любого вида имела характерные только для данного вида фракции 'повторяющейся ДНК и фракции, объединяющие все виды какого-либо рода.

Дендрограмма, выстроенная по результатам рестриктазного анализа ДНК ежей (рис. 1) показывает, что представители подсемейства Erinaceinae распадаются на две группы, соответствующие экологической специализации этих видов как обитателей открытых пустынно-степных пространств (Heroiec'hinus hypomelas, н. auritus, н. dauuricus) и закрытых лесных ландшафтов (Erinaceus europaeus, Е. concolor, Е. amurensis). Уровень дифференциации ДНК в этих грушах неодинаков.

Повторяющаяся ДНК лесных видов ежей содержит в целом значительно меньше видоспецифичных фракций ДНК, чем ДНК пустынно-степных видов. Дифференциация ДНК в группе ушастый, даурский, длинноиглый ежи также сильнее.

Даурский еж Hemiechinus dauuricus, ОбЪвДИНЯЯ Черты РОДОВ Erinaceus и Hemiechinus, морфологически больше общего имеет с лесными обыкновенными ежами (Огнев, 1951; Зайцев, 1982). Но даурские ежи обитают в биотопах, близких к таковым ушастого и длинноиглого ежей. В строении кариотипов этот вид также обнаруживает удивительное сходство с ушастыми ежами (Графодатский и др., 1991). Одни исследователи склонны относить его к роду Erinaceus (Огнев, 1951; Соколов, 1973; Зайцев, 1982), другие включают его В род Hemiechinus (Allen, 1938; Строганов, 1957; Corbet, 1988); третьи ВЫДеЛЯЮТ В Ca-

100

98

45

85,5

29

41

28

64 е. (заиипсиб

100

34

Н. Ьуроте^Б

16

Е. еигораеиБ

28

Н. аипШэ

Е. атигег^в

I

-о I

Е. сопсо1ог

Та1ра еигораеа

Рис. I. Филогенетические связи ежей подсемейства 6п'/1С1Св//1(1е-аа данньш рестриктазного анализа ДНК. Длины ватвай соответствуют генетический дистанциям (числа над ватвями). Числа под ветвями -индексы бутстрапа, соответствующие такой доле деревьев ;з %) от общего их числа, генерируемого в результате осуществления 100 реплик бутстрапа, в которой данная группа видов образует ионофилети-ческий кластер. (У^/уМ- виЪОрМСС-внешний вид.

мостоятельный род Mesechinus (Frost et al.( 1991). По результатам сопоставления ДНК даурский еж наиболее близок к ушастому ежу и наиболее далек от рода Ermaceus по сравнению с н. auritus и н. hypomeias, а также и от внешней группы Taipidae, заведомо более молодой (рис. 1). Из этого следует, что даурский еж не только относится к роду ушастых ежей, но и эволюционно наименее продвинут среди исследованных ежовых.

Длинноиглый еж н. hypomeias по морфологии, экологии и поведению наиболее специализирован как пустынный вид и отдален от группы обыкновенных ежей (Зайцев, 1982; Жеребцова, 1990). Однако по изучаемому молекулярному признаку он, тяготея к кладе Hemiechinus, занимает промежуточное положение между Hemiechinus и Erinaceus и даже наиболее из трех рассматриваемых пустынно-степных видов приближен к последнему роду. Все это, на наш взгляд, подтверждает обособленность ДЛИННОИГЛОГО ежа среди ежей рода Hemiechinus.

Систематику и родственные взаимоотношения трудно диагностируемых ВИДОВ рода Erinaceus - Е. europaeus, Е. concolor и е. amurensis, которым посвящено немалое число публикаций, никогда прежде не изучали на уровне ДНК. В наших опытах по таксонопринту видоспецифичность ДНК показана для всех рассмотренных видов ежей. Таким образом, молекулярно-генетическая обособленность обыкновенного, белогрудого и амурского ежей, также не вызывает сомнения. По повторяющейся ДНК аллопатрич-ный по отношению к двум европейским видам амурский еж оказывается ближе к обыкновенному, чем к белогрудому, и чем каждый из них друг к другу.

Результаты таксонопринтного анализа ДНК ушастых ежей из

разных географических районов свидетельствуют о принадлежности крупных темнобрюхих особей из юго-западного Копетдага к виду Н. auritus. Выделение данной формы В ВИД н. megalotis Blyth, 1845 (Niethammer, 1969; КОЛОДвНКО, 1974) Не Подтверждается.

Наши данные по дивергенции повторяющейся ДНК ежей полностью согласуются с цитогенетическими представлениями о родственных связях этих видов (Графодатский и др., 1991).

Дифференциация подсемейства Erinaceinae на современные роды протекала с середины миоцена параллельно распаду распространенных до этого лесов саванного типа на широколиственные и листопадные леса с одной стороны и сухие степи и пустыни с другой (Синицын, 1965). Преобразование широколиственных лесов в темнохвойную тайгу послужило причиной дизъюнкции ареала лесных ежей рода Erinaceus. Нарастание аридности климата в глубине материка способствовало расселению пустынно-степных видов рода Hemiechinus.

Обособление амурского ежа произошло вследствие восточно-европейского разрыва некогда сплошного ареала рода Erinaceus в миоцене-плиоцене. Обособлению белогрудого ежа, по нашему мнению, содействовала дизънктивная роль водных преград, которые в течение всего миоцена, плиоцена и почти всего четвертичного периода отделяли Кавказ и Переднюю Азию от Центральной Европы (Архангельский, 1947; Марков, Величко, 1967). Таким образом, полное разобщение ареалов белогрудого и европейского ежей могло существовать еще до географического обособления амурского ежа. Возможно, поэтому молекуляр-но-генетическое сходство европейского и амурского ежей боль-

ше, чем каждого из них и белогрудого.

ГЛАВА IV. СШЕИСТВО SORICIDAE - ЗЖЛЕРОИКИ Картины электрофоретического разделения фрагментов ДНК

случайно выбранных особей землероек из одной, либо разных популяций были идентичными. Это относится, в том числе, и к особям sorex araneus из Московской, Костромской областей и Красноярского края, на основе отличающегося строения карио-типов которых построено предположение о репродуктивной изоляции "западных" и "восточных" обыкновенных бурозубок (Орлов, Козловский, 1969). Не обладали индивидуальной специфичностью таксонопринты и других видов землероек, например, разных цветовых форм crocidura suaveoiens из популяции Дагестана.

Но распределение выявляемых фракций ДНК землероек в большинстве опытов было видо-, родо- и семействоспецифично. По четырем из семи рестриктаз некоторые виды sorex не дали четкого разделения по картине полос на радиоавтографе. В опытах С Taql таксонопринты S. caecutiens, S. minutissimus, S. isodon, S. unguiculatus, S. daphaenodon И S. raddei практически совпадали. В опытах с другими рестриктазами не различались таксонопринты S. caecutiens И S. isodon (Sau96I), S. isodon И S. minutissimus (Mspl), S. unguiculatus И S. caecutiens (Bcni). В отличие от бурозубок, таксонопринты изученных ВИДОВ ИЗ родов Crocidura И Neomys не были сходными ни по одной из опробованных рестриктаз.

Полученная схема филогенетических связей землероек из трех наиболее широко распространенных родов - sorex, crocidura и Neomys - и относительное время их становления согласуются С ТОЧКОЙ зрения Репеннинга (Repenning, 1967),

основаной на морфологических данных и исследованием полиморфизма сывороточных белков Георг (George, 1986): раньше других оформился род Crocidura (средний миоцен); далее род sorex (в позднем плиоцене), а род Neomys - последним (в плейстоцене), либо одновременно с ним. Во всяком случае молекулярная радиация бурозубок началась несколько раньше, чем произошло разделение видов кутор и при меньших изменениях повторяющихся областей генома, что видно из сопоставления максимальных генетических расстояний от узла расхождения родов sorex, crocidura и Neomys до вершин дендрограммы, соответствующих видам S. caucasicus, С. lasiura И N. schelkovnikovi (рис. 2).

sorex. Группировки бурозубок.в предлагаемой реконструкции В Общем соответствуют ПОДРОДЭМ Homolurus И Sorex по ци-тогенетической схеме (Иваницкая, 1985) и морфологическим построениям на основе сопоставления элементов посткраниального скелета (Сергеев, Ильяшенко, 1991). Исключение составляет S.raddei.

Бурозубка Радде, характеризующаяся многими отличительными чертами морфологии (Долгов, 1985) на основе некоторого кариотипического сходства с 42-хромосомными видами (S. isodon, S. unguiculatus, S. caecutiens) помещена ИванИЦКОЙ (1985) в подрод Homolurus. По нашим данным бурозубка Радде не попадает ни в одну из групп, а образует самостоятельную ветвь, относительно которой группировки, соответствующие подродам sorex и Homolurus являются сестринскими.

Как видно из значений генетических расстояний на денд-рограмме, дивергенция видов бурозубок внутри наиболее устой-

100

S.raddei

r S. isodon

2 57 4'5

99

24

— S.unguiculatus

— S.caecutiens

S.araneus

84

S.caucasicus

S. mmutissimus

100

84

100

r - - N. fodiens

(данные по 5 рсстриктазам)

1 6

N.schelkovnikovi

95

С. leucodon

С.suaveolens

С. lasiura

Talpa curopaea

100

Mogera robusta

Рис. 2. Филогонотичоскио связи зомлароок по дашшм ростриктаэноп анализа ДНК (опыти з 6 рестриктазаии). Обозначении как на рис. I

ЧИВЫХ клад Б. агапеиз-Б. саисаз1сиз (ИБ=84 %) И Б. 1зос1оп-Б. ипди1си1аъиз (ИБ=99 %) не одинакова. Обыкновенная и кавказская бурозубки дивергировали друг относительно друга в три раза дальше, чем равнозубая и когтистая. Морфологически виды первой пары более сходны между собой, чем виды второй пары (Павлинов, Россолимо, 1987; Сергеев, Ильяшенко, 1991), а при сравнении хромосомных чисел имеет место обратное (Иваницкая, 1985; Воронцов, Крал, 1986). Таким образом, большему морфологическому и меньшему кариотипическому (по числу хромосом) сходству соответствует, в данном случае, большая дивергенция повторяющейся ДНК.

б. пипи*:1зз:1тиз, обнаруживая с видами, близкими ей по размеру, минимальное сходство во многих морфологических признаках, попадает вместе с ними в одну группу ното1игиз на основе сходства в строении кариотипов. По результатам нашего исследования крошечная бурозубка тяготеет к обыкновенной и кавказской, что противоречит кариологическим данным, но совпадает с результатами кластерного анализа посткраниального скелета. Однако, положение б. пипииэз^из, как и б. саесиъгепз, на дендрограмме неустойчиво: объединению этих видов с другими видами соответствуют низкие значения ИБ -менее 5о %.

Результаты ОПЫТОВ С ДНК кругшозубой бурозубки Б. (ЗарЬао-посЗоп своеобразны: по разным участкам генома б. йарЬаепоаоп обнаруживает сходство с разными видами. Дендрограммы, отражающие положение б. сзарьаепосзоп, выстроенные по результатам опытов с каждой отдельной рестриктазой не совпадают по топологии с согласованной дендрограммой на рис. г. ДНК б.

1ип<1геп818 исследована в опытах только с рестриктазой всп1. По этой области ДНК тундряная бурозубка обособлена от других рассмотренных видов рода.

сгос!<1ига. Из белозубок нами исследованы три вида: белобрюхая (С. 1еисо(3оп), малая (с. зиауео1епз) и уссурийская (С. 1аБ1ига). Два ИЗ НИХ - С. 1аз1ига И С. зиауео1епБ - имеют одинаковое число хромосом в диплоидном наборе: 2п=40; ка-риотип С. 1еисо<Зоп отличен ОТ предыдущего: 2п=28, хотя и построен на его основе (Графодатский и др., 1988,- 1991). По повторяющейся ДНК разнохромосомные вида - белобрюхая и малая белозубки - обнаруживают больше сходства, чем кариологически сходные. Эти данные согласуются с фактом значительной морфологической обособленности и своеобразности с. 1аз1ига (Долгов, 1971; Юдин, 1989) при морфологическом сходстве, особенно В некоторых местах ареала, С. 1еисо<1оп И С. Биауео1епз (Долгов, 1974; Соколов, Темботов, 1989; Емельянов, Жежжерин, 1990) .

кеотуБ.Исследование дивергенции ДНК в роде кутор показало, что N. БсЬе1коуп1коу1 и N. £о(Иепз, которые морфологически весьма сходны (Юдин, 1970; Долгов, 1988) и имеют фактически идентичное Строение КарИОТИПОВ (Иеитег, Меу1ап, 1986; Иваницкая, 1989; Графодатский И др., 1991), по повторяющимся последовательностям ДНК хорошо различимы.

Результаты исследования дивергенции повторяющейся ДНК землероек показывают, что уровень ее в родах данного семейства неодинаков. Наиболее глубоко друг относительно друга по изучаемому молекулярному признаку дивергировали виды рода Сгосхйига. Роды Богех и ^отуБ характеризуются более слабой

молекулярной дифференциацией (табл. i).

Уровни молекулярно-генетической дивергенции в родах землероек, видимо, связаны с различными формами видообразования и историей их современных ареалов. Отчасти различную дивергенцию геномов бурозубок, белозубок и кутор объясняют описанные Долговым (1988) способы гегра$ического видообразования землероек и особенности взаимодействия их фенотипов со средой.

ГЛАВА V. СЕМЕЙСТВО TALPIDAE - КРОТОВЫЕ Из результатов таксонопринтного анализа следует, что роды Taipa и модега оказываются сестринскими группами относительно Desmana, однако они в разной степени удалены от нее (РИС. 3). ДНК Desmana moschata ближе К ДНК Talpa europaea, чем к ДНК модега robusta (генетические расстояния 81 и ioi соответственно). Русская выхухоль удалена от европейско- го крота в той же мере, что крот от могеры и бурозубки от кутор. Мы полагаем, что эти данные свидетельствуют в пользу принадлежности выхухолей к семейству Talpidae, что иногда подвергается сомнению (Gregory, 1910; Строганов, 1948; Долгов, Юдин, 1945).

Сходство геномов европейского крота и русской выхухоли в нашем исследовании соответствует результатам кариологическо-го анализа, в ходе которого была обнаружена близость карио-типов этих видов (Анискин, Романов, 1990). Интересно, что пиренейская выхухоль Galemus pyrenaicus КарИОТИПИЧеСКИ бЛИЖе К видам рода Модега, а не Talpa (Реуге, 1957).

Sorex araneus

loo

72, 7

84

75, 7

77

Neomys fodiens

Crocidura suaveolens

Talpa europaea

Kogera robusta

Desmana moschata

Erinaceus europaeus

Рис. 3. Филогенетические связи кротовых ( ^¡61 ^рЬЛ& & ) с другими представителями насекомоядных млекопитающих по данным рестриктазного анализа ДНК. Обозначения как на рис. I. ёгСпасим ешрашб -внешний вид.

ГЛАВА VI. НУКЛЕОТЩЩЫИ СОСТАВ И ВНУТРИГЕНОМНАЯ ГЕТЕРОГЕННОСТЬ ДНК ЕЖЕЙ, ЗЕМЛЕРОЕК И КРОТОВ

Среднее содержание гуанина и цитозина (ГЦ-пар) в ДНК различных представителей insectívora, определенное по температуре тепловой денатурации составляет 4i,8±i,3 мол %. Величины внутригеномной гетерогенности у видов изученных семейств изменяются от ю до 22,8 %. По рбоим показателям выявлено статистически достоверное отличие семейства Erinaceidae от Soricidae и Taipidae (р>0,05). Таким образом, исследование нуклеотидного состава ДНК насекомоядных показало высокую его вариабельность относительно других отрядов млекопитающих (Gropp et al., 1969; АНТОНОВ, БвЛОЗерСКИЙ, 1961; 1970).

ГЛАВА Vil. ФИЛОГЕНИЯ НАСЕКОМОЯДНЫХ И ТАКСОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОВТОРЯЩЕИСЯ ДНК

Уровень дивергенции ДНК в различных таксонах насекомоядных. Обобщая полученные данные, можно заключить, что уровень дивергенции повторяющейся ДНК в изученных семействах отряда insectívora неодинаков. Отличия имеют место на уровне семейств, родов и видов (табл. 2, з>. Неравная дивергенция таксонов нашла подтверждение и при изучении нуклеотидного состава: высокая степень достоверности различий нуклеотидного состава ежей с одной стороны и землероек и кротовых с другой говорит о наличии существенного разрыва мевду группами.

Дивергенция повторяющейся ДНК в таксонах насекомоядных с различным уровнем хромосомного консерватизма. Сопоставляя наши данные с цитогенетикой изученных групп, мы заключили, что дивергенция повторяющейся ДНК в таксонах насекомоядных связана с количеством прицентромерного гетерохроматина. Чем больше гетерохроматина содержится на хромосомах насекомояд-

Таблица i.

Дивергенция повторяющейся ДНК в трех родах землероек по данным сопоставления генетических дистанций

роды различие генетических дистанций

soricidae при попарном сравнении видов

(РИС. 2) min max х

Sorex 8 33 22,6

Crocidura 31 64 50,0

Neomys 22 22 22,0

Таблица 2.

Межвидовая дивергенция ДНК в семействах Erlnaceidae и Бог1с1йае на основе сопоставления генетических дистанций

Семейство, Генетические дистанции между видами

дедрограмма внутри родов ежей и землероек

max min х

Erinaceidae (рис. 1) 166 44 100,3

Soricidae (РИС. 2) 64 8 36,3

Таблица з.

Межродовая дивергенция ДНК в семействах Erinaceidae, Бог1^ае и тalpidae на основе сопоставления генетических дистанций

Семейство, Генетические дистанции между видами

дендрограмма из разных родов

max min х

Erinaceidae (рис. 1) 277 164 225

Soricidae (РИС. 2) 152 104 134

(РИС. 3) 118 96 106

Talpidae (РИС. 3) 101 81 88

ных, тем более далеко представители данного таксона диверги-ровали друг относительно друга по повторящейся ДНК. Эта тенденция справедлива на всех таксономических уровнях от семейства и рода до вида. Так, ежовые при удивительном постоянстве хромосомных чисел (2п=48 у всех видов и родов) отличаются наибольшим количеством и наибольшей межвидовой и внутривидовой изменчивостью по числу и размерам гетерохроматических бЛОКОВ (Mandahl, 1978; СОКОЛОВ И Др., 1991; ГрафО-датский и др., 1991). Содержание гетерохроматина в хромосомах землероек, особенно рода sorex, при разнообразии их хромосомных чисел исчезаице мало (Иваницкая, 1985; Графодатский и др., 1991). Соответственно, роды и виды ежей дальше дивер-гировали относительно друг друга по повторам ДНК, чем землеройки. У землероек на фоне общей менее глубокой дивергенции ДНК наиболее четкая дифференциация имеет место в группах, кариотипическая эволюция которых в наибольшей степени связана с гетерохроматином - Crocidura и, возможно, Neomys. В роде sorex, хромосомы представителей которого чрезвычайно бедны гетерохроматином, дивергенция повторяющейся ДНК выявлена даже не во всех опытах. Количеством гетерохроматина обусловлено, видимо, и число фракций повторяющейся ДНК, выявляемое в опытах. Для ежей оно примерно в два раза больше, чем для землероек и кротов.

Известно, что конститутивный гетерохроматин многих животных, в том числе, млекопитающих, содержит высокоповторяю-щиеся последовательности ДНК (Pardue, Gall, 1970; Arrighi et ai., 1974; Графодатский и др., 1981). Очевидно, что и повторы ДНК, выявляемые методом таксонопринта, локализованы в ге-

терохроматине и функционально связаны с ним.

Дивергенция повторяющейся ДНК и геологический возраст таксонов. Мутации, существенно изменяющие ту или иную область ДНК, могут накопиться лишь за достаточно большой срок, сопоставимый со временем, необходимым для видообразования. Следовательно, исследованный молекулярный признак связан также и с геологическим возрастом видов и родов. Например, дивергенция ежей на современные роды имела место не менее 1225 млн. лет назад, в то время как возраст современных родов землероек всего 2-7 млн. лет (Repenning, 1967; Гуреев, 1979). В соответствии с этим, таксоноцринтный анализ ДНК показывает более глубокие различия мевду родами ежей, чем землероек. Возраст многих бурозубок датируется плейстоценом (Межжерин, 1965; Гуреев, 1971,• Иваницкая, 1985), в то время как обособление видов ежей, например из рода Erinaceus, имело место уже в нижнем плиоцене. У бурозубок в этот период начали дифференцироваться предки современных подродов (Иваницкая, 1985). Выше упоминалось, что ряд видов рода sorex, морфологически хорошо дифференцированных, не обнаружил различий по ДНК в опытах с некоторыми рестриктазами. Показательно, что та или иная часть ДНК оказалась идентичной у видов одного подрода но отличалась у видов из разных подродов, а также у горного изолята s. caucasicus. Высокий уровень дивергенции s. caucasicus по изучаемому молекулярному признаку дает основание предполагать, что обособление этого вида также связано с более ранним геологическим временем - нижним плейстоценом или плиоценом.

Таксонопринт ДНК и видообразование. Разные картины так-

сонопринтов для разных видов определяются благодаря консервативности расположения сайтов рестрикции, что и является таксономическим признаком. Сумма протяженности сайтов рестрикции в геноме гораздо меньше общей длины всего генома. Поэтому мутации, существенно изменяющие паттерн ДНК, могут накопиться лишь за достаточно большой срок, сравнимый со временем, необходимым для видообразования. Значит различия, выявляемые методом таксонопринта - следствие, а не причина видообразования. Идентичность или сходство таксонопринтов по нескольким рестриктазам свидетельствует, видимо, о том, что сопоставляемые по этому признаку формы могут неограниченно скрещиваться и давать плодовитое потомство.

Факт сходства паттернов высокоповторяющейся ДНК у всех особей популяции и вида в целой на фоне изменчивости многих морфологических признаков говорит о том, что повторяющаяся часть ДНК, выявляемая методом таксонопринта, это базисная, консервативная часть генома, не изменяющаяся при индивидуальных и популяционных изменениях фенотипа. Распространенное мнение о том, что все повторяющиеся последовательности ДНК являются наиболее легко мутирующей или перестраивающейся частью генома, представляется несколько преувеличенным с точки зрения наших данных, которые заставляют пересмотреть представления о "ненужности" большей части повторяющейся ДНК для видообразования.

ВЫВОДЫ

1. Таксономический анализ повторяющихся областей ДНК ежей, землероек и кротовых позволил реконструировать схему связей этих групп, которая представляет собой иерархически

организованную систему видов и родов и достаточно четко отражает уровень дивергенции различных таксонов отряда.

2. Уровень дивергенции повторяющейся ДНК насекомоядных неодинаков: виды и роды семейства Ег1пасе1аае по изучаемому молекулярному признаку дальше дивергировали друг относительно друга, чем виды и роды БоПс1аае и та1р1<1ае; уровень межродовой дивергенции В семействах Бог1с1с1ае и Та1р1<3ае примерно одинаков.

3. В семействе Ег1.пасе1с1ае пустынно-степные виды ежей (НепиесЫпиз аиглЛив, Н. Ьуроше1аз, Н. с1аииг1сиз) дальше ДИ-вергировали друг относительно друга, чем лесные (Ег1пасеиз

еигораеиБ, Е. сопсо1ог, Е. атигепз1Б).

4. Филогенетические отношения ежей подсемейства Eri.nacei.nae, установленные по признакам генома, в полной мере соответствуют филогении, выведенной из строения кариотипов и в меньшей степени сходны с морфологическим сходством изученных видов.

5. Род Богех при наиболее высокой среди других рассмотренных землероек морфологической и кариотипической дифференциации, обнаруживает наименьшую степень дивергенции повторяющейся ДНК. Род сгос!бига, будучи кариологически и морфологически менее дифференцирован, на молекулярном уровне дивер-гировал сильнее бурозубок. Разный уровень дивергенции ДНК в родах Богех, сгос1с1ига и кеотуБ отчасти объясняется спецификой видообразования и историей формирования их ареалов.

6. Степень дивергенции повторяющейся ДНК насекомоядных находится в связи с количеством конститутивного прицентро-мерного гетерохроматина и геологическим возрастом видов: ди-

вергенция повторяющейся ДНК тем сильнее, чем больше возраст данного таксона и чем выше содержание гетерохроматина на хромосомах его представителей.

7. Исследование повторяющейся ДНК насекомоядных позволило получить новые объективные подтверждения некоторых спорных вопросов систематики ежей, землероек и кротов:

- Даурский еж относится к роду ушастых ежей (Hemiechinus), а не обыкновенных (Erinaceus).

- Крупные темнобрюхие ушастые ежи из Западного Копетдага принадлежат к виду н. auritus, а не н. megaiotis.

- Морфологическая и кариологическая самостоятельность обыкновенного, белогрудого и амурского ежей подтверждается дивергенцией повторяющихся элементов их геномов.

Подтверждается самостоятельность и глубокая обособленность родов Talpa И Mogera.

- Русская выхухоль Desmana moschata ОТНОСИТСЯ К СемеЙСТВУ Taipidae; повторяющаяся ДНК d. moschata в большей степени сходна С таковой кротов ИЗ рода Talpa, чем Mogera.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. А.А. Банникова, В.А. Долгов, Л.В. Федорова, А.Н. Федоров, А.В. Троицкий, А.А. Ломов, Б.М. Медников, 1995. Родственные отношения ежей подсемейства Erinaceinae (Mammalia, insectívora) по данным рестриктазного анализа суммарной ДНК // Зоол. журн. Т. 74. Вып. 5. С. 95-106.

2. А.А. Банникова, Л.В. Федорова, А.Н. Федоров, А.В. Троицкий, В.В. Гречко, В.А. Долгов, А.А. Ломов, Б.М. Медников, 1995. Сравнение повторяющихся последовательностей ДНК млекопитающих семейства Erinaceidae методом рестриктазного

анализа // Генетика. Т. 3i. n 11. с. 1498-1506.

3. Б.М. Медников, А.А. Банникова, А.А. Ломов, М.Н. Мельникова, Е.А. Шубина, 1995. Рестриктазный анализ повторяющейся ядерной ДНК, критерий вида и механизм видообразования // Молек. биол. Т. 29. Вып. 6. С. 1308-1319.

4. А.А. Банникова, В.А. Долгов, Л.В. Федорова, А.Н. Федоров, А.А. Ломов, Б.М. Медников, 1996. Дивергенция землероек (insectívora, soricídae) по данным рестриктазного анализа повторяющихся последовательностей ДНК // Зоол. журн. Т. 75. Вып. 2. С. 256-270.

5. A.A. Bannikova, A.V. Shnyreva, A.A. Lomov, 1995. Taxonomic DNA fingerprinting in phylogenetic reconstruction // Vlth International Conference "Frontiers in biochemistry and molecular biology. The legacy of Andrey Belozersky". December 18-22, Moscow, Russia.

6. А.А. Банникова, В.А. Долгов, А.А. Ломов, Б.М. Медников, 1996. Филогенетические СВЯЗИ крота (Taipa europaea L., 1758), могеры (Mogera robusta Nehring., 1891) И ВЫХУХОЛИ (Desmana moschata L., 1758) (Insectívora, Talpidae) ПО Данным рестриктазного анализа повторяющихся последовательностей ДНК // Зоол. журн. В печати.

ТОО "Нерей". Зак. 31. Тир. 80